Ricercatori e partner finanziati dall'UE stanno spingendo i confini delle leggi della fisica, sviluppo di materiali nanocompositi e circuiti nanoelettronici per migliorare notevolmente l'energia, prestazioni termiche e di calcolo. Ciò potrebbe rendere gli smartphone e altri dispositivi elettronici più efficienti e aumentare il potenziale dell'energia solare.

Nel mondo di oggi, i nanomateriali svolgono un ruolo cruciale nell'emergere di dispositivi e sensori intelligenti, case intelligenti, dispositivi autonomi, robotica, biotecnologie e medicina.

Ma i circuiti sono diventati così miniaturizzati e veloci che non riescono più a gestire il calore generato durante l'elaborazione delle informazioni.

"I modi standard per superare questo punto morto, ad esempio generando meno calore o rimuovendolo in modo più efficace, non riescono a tenere il passo, " dice Mimoun El Marssi dell'Université de Picardie Jules Verne in Francia.

El Marssi è il coordinatore del progetto ENGIMA finanziato dall'UE, che affronta proprio questo problema. Si concentra su come ridistribuire l'elettricità in modo efficiente su scale minuscole, sfruttando le scoperte della nanotecnologia che stanno aprendo nuove possibilità e applicazioni ritenute impossibili fino a pochi anni fa.

Rendere possibile l'impossibile

Una delle principali sfide affrontate dai ricercatori ENGIMA è il cosiddetto problema della tirannia di Boltzmann nella nanoelettronica.

Riguarda uno dei concetti più basilari dell'elettricità:capacità, una quantità che mostra quanta carica deve essere posta su un conduttore per garantire una data tensione. La definizione standard dei libri di testo afferma che la capacità è sempre positiva. Perciò, maggiore è la tensione, maggiore è la carica immagazzinata, e, a sua volta, più calore sarà generato da un dispositivo.

In uno sviluppo rivoluzionario, I ricercatori ENGIMA in Francia e Russia che lavorano in collaborazione con Valerii Vinokur dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno sviluppato un "condensatore negativo" statico permanente, "un dispositivo ritenuto impossibile fino a circa un decennio fa.

I progetti precedentemente proposti per i condensatori negativi hanno funzionato su un temporaneo, base transitoria, ma il condensatore negativo sviluppato da ENGIMA è il primo a funzionare come dispositivo reversibile allo stato stazionario.

L'approccio proposto sfrutta le proprietà dei materiali ferroelettrici, che possiedono una polarizzazione spontanea che può essere invertita da un campo elettrico esterno. Aumentando la carica sul condensatore positivo aumenta la tensione. Il contrario si verifica con il condensatore negativo:la sua tensione diminuisce all'aumentare della carica.

Accoppiando i due condensatori, la tensione del condensatore positivo può essere aumentata localmente fino ad un punto superiore alla tensione totale del sistema. Ciò consente di distribuire l'elettricità alle regioni del circuito che richiedono una tensione più elevata mentre l'intero circuito funziona a una tensione più bassa.

Questa svolta contribuirà a ridurre l'energia di commutazione e la tensione operativa dei dispositivi elettronici, riducendo così le perdite di calore, osserva Igor Lukyanchuk, Il ricercatore capo di ENGIMA.

"La capacità negativa è uno dei più importanti sviluppi recenti nella riduzione del consumo energetico dei nanocircuiti e nella risoluzione dei problemi di surriscaldamento che limitano le prestazioni dei circuiti di calcolo convenzionali, " dice. "Sulla base di questa ricerca, stiamo sviluppando una piattaforma pratica per l'implementazione di dispositivi a bassissima potenza per l'elaborazione delle informazioni."

Verso dispositivi intelligenti senza batteria

In pratica, questo significherebbe il tuo smartphone, I dispositivi Internet of Things e numerosi altri sistemi elettronici diventeranno molto più efficienti dal punto di vista energetico. In combinazione con altri lavori condotti nell'ambito di ENGIMA, potrebbe trasformare radicalmente la nostra esperienza di sfruttamento dell'energia, consumo e stoccaggio.

Basandosi sui recenti progressi della tecnologia fotovoltaica e dei materiali a film sottile per la conversione dell'energia solare, I team di ricerca ENGIMA in Francia e Messico stanno sviluppando nuove nanostrutture multifunzionali super-reticolo ottimizzate per ferroelettrico ottimizzato, risposte strutturali e fotovoltaiche. Il lavoro promette un modo efficiente per progettare nuove nanostrutture per futuri materiali fotovoltaici.

"Questi impianti fotovoltaici potrebbero diventare fonti di energia verde di nuova generazione in quanto sicure, affidabile, sostituti rispettosi dell'ambiente per le batterie nei sistemi intelligenti autoalimentati, " dice El Marssi.

Nel frattempo, ricercatori ENGIMA in Slovenia, guidato da Zdravko Kutnjak presso l'Istituto Jožef Stefan, stanno esplorando altri modi per superare la "tirannia Boltzmann". Stanno sfruttando il cosiddetto effetto elettrocalorico che fa sì che i materiali mostrino una variazione di temperatura reversibile sotto un campo elettrico applicato. Il team ha dimostrato per la prima volta che i cristalli liquidi possono essere sfruttati come materiali elettrocalorici con grandi variazioni di temperatura.

Gli sviluppi in questo settore hanno suscitato un enorme interesse da parte della ricerca e delle comunità industriali poiché suggerisce l'efficiente integrazione in-chip dei dispositivi di raffreddamento nei circuiti di calcolo nanoelettronici, secondo Kutnjak.

"Ci aspettiamo che la temperatura di raffreddamento nei prototipi di dispositivi a cristalli liquidi sarà notevolmente migliorata rispetto ai sistemi a stato solido, " aggiunge. "Inoltre, il materiale a cristalli liquidi può essere utilizzato in qualsiasi forma, e tali dispositivi non saranno interessati da problemi di fatica causati dalla fessurazione dei materiali."

I risultati che emergono da ENGIMA promettono di aprire nuove significative opportunità e possibilità per le industrie ad alta tecnologia, in particolare nell'affrontare i problemi attuali di consumo energetico e raccolta, con applicazioni in molti campi.

"Da questo punto di vista, ENGIMA può migliorare la qualità della vita e la salute a lungo termine dei cittadini dell'UE. Per esempio, contribuendo allo sviluppo di diversi sistemi intelligenti, " El Marssi dice. "Si prevede inoltre che ENGIMA contribuirà a colmare il divario nell'attività di ricerca sull'applicazione di nanomateriali multifunzionali per l'informatica e le tecnologie che consumano energia tra l'Europa e gli altri paesi".