Il team di nanoricerca guidato dai professori Helge Weman e Bjørn-Ove Fimland presso il Dipartimento di sistemi elettronici dell'Università norvegese di scienza e tecnologia (NTNU) è riuscito a creare diodi emettitori di luce, o LED, da un nanomateriale che emette luce ultravioletta.

È la prima volta che qualcuno crea luce ultravioletta su una superficie di grafene.

"Abbiamo dimostrato che è possibile, che è davvero emozionante, " dice la dottoranda Ida Marie Høiaas, che ha lavorato al progetto con Ph.D. candidato Andreas Liudi Mulyo.

"Abbiamo creato un nuovo componente elettronico che ha il potenziale per diventare un prodotto commerciale. Non è tossico e potrebbe rivelarsi più economico, e più stabile e durevole delle odierne lampade fluorescenti. Se riusciamo a rendere i diodi efficienti e molto più economici, è facile immaginare che questa attrezzatura diventi un luogo comune nelle case delle persone. Ciò aumenterebbe considerevolmente il potenziale di mercato, " dice Hoiaas.

Pericoloso, ma utile

Sebbene sia importante proteggerci dall'eccessiva esposizione ai raggi UV del sole, la luce ultravioletta ha anche proprietà molto utili.

Ciò vale in particolare per la luce UV con lunghezze d'onda corte di 100-280 nanometri, chiamata luce UVC, che è particolarmente utile per la sua capacità di distruggere batteri e virus.

Fortunatamente, i pericolosi raggi UVC del sole vengono intrappolati dallo strato di ozono e ossigeno e non raggiungono la Terra. Ma è possibile creare luce UVC, che può essere utilizzato per pulire superfici e attrezzature ospedaliere, o per purificare acqua e aria.

Il problema oggi è che molte lampade UVC contengono mercurio. La Convenzione di Minamata delle Nazioni Unite, entrata in vigore nel 2017, stabilisce misure per eliminare gradualmente l'estrazione del mercurio e ridurre l'uso del mercurio.

La convenzione prende il nome da un villaggio di pescatori giapponese dove la popolazione è stata avvelenata dalle emissioni di mercurio di una fabbrica negli anni '50.

Basandosi sul grafene

Uno strato di grafene posto sul vetro costituisce il substrato per il nuovo diodo dei ricercatori che genera luce UV.

Il grafene è un materiale cristallino super resistente e ultrasottile costituito da un singolo strato di atomi di carbonio. I ricercatori sono riusciti a far crescere nanofili di nitruro di alluminio e gallio (AlGaN) sul reticolo di grafene.

Il processo avviene in una camera a vuoto ad alta temperatura in cui gli atomi di alluminio e gallio vengono depositati o cresciuti direttamente sul substrato di grafene, con elevata precisione e in presenza di plasma di azoto.

Questo processo è noto come epitassia a fascio molecolare (MBE) ed è condotto in Giappone, dove il team di ricerca NTNU collabora con il professor Katsumi Kishino alla Sophia University di Tokyo.

Sia la luce

Dopo aver allevato il campione, viene trasportato all'NTNU NanoLab dove i ricercatori realizzano contatti metallici di oro e nichel sul grafene e sui nanofili. Quando l'energia viene inviata dal grafene e attraverso i nanofili, emettono luce UV.

Il grafene è trasparente per la luce di tutte le lunghezze d'onda, e la luce emessa dai nanofili brilla attraverso il grafene e il vetro.

"È entusiasmante poter combinare i nanomateriali in questo modo e creare LED funzionanti, dice Høiaas.

Mercato multimilionario

Un'analisi ha calcolato che il mercato dei prodotti UVC aumenterà di 6 miliardi di NOK, o circa 700 milioni di dollari da qui al 2023. Si prevede che la crescente domanda di tali prodotti e l'eliminazione graduale del mercurio produrranno un aumento annuo del mercato di quasi il 40%.

In concomitanza con il suo dottorato di ricerca. ricerca alla NTNU, Høiaas sta lavorando con la stessa tecnologia su una piattaforma industriale per CrayoNano. La società è uno spin-off del gruppo di ricerca nano di NTNU.

Usa meno elettricità in modo più economico

I LED UVC che possono sostituire le lampadine fluorescenti sono già sul mercato, ma l'obiettivo di CrayoNano è creare diodi molto più efficienti dal punto di vista energetico ed economici.

Secondo la società, uno dei motivi per cui i LED UV di oggi sono costosi è che il substrato è costituito da un costoso nitruro di alluminio. Il grafene è più economico da produrre e richiede meno materiale per il diodo LED.

Necessario ulteriore sviluppo

Høiaas ritiene che siano necessari molti miglioramenti prima che il processo sviluppato in NTNU possa essere scalato fino al livello di produzione industriale. Gli aggiornamenti necessari includono la conduttività e l'efficienza energetica, strutture di nanofili più avanzate e lunghezze d'onda più corte per creare luce UVC.

CrayoNano è progredito ulteriormente, ma i loro risultati non sono ancora stati pubblicati.

"L'obiettivo di CrayoNano è commercializzare la tecnologia nel 2022, " dice Høiaas.