Ogni epoca nella storia della civiltà umana ha un materiale distintivo, dall'età della pietra, all'età del bronzo e del ferro. Potremmo anche chiamare l'odierna società basata sull'informazione l'era del silicio.

Dagli anni Sessanta, nanostrutture di silicio, gli elementi costitutivi dei microchip, hanno potenziato lo sviluppo dell'elettronica, comunicazioni, produzione, medicinale, e altro ancora.

Quanto sono piccole queste nanostrutture? Molto, molto piccolo:potresti metterci almeno 3, 000 transistor al silicio sulla punta di un capello umano. Ma c'è un limite:al di sotto di circa 5 nanometri (5 milionesimi di millimetro), è difficile migliorare ulteriormente le prestazioni dei dispositivi al silicio.

Quindi, se stiamo per esaurire il potenziale dei nanomateriali di silicio, quale sarà il nostro prossimo materiale distintivo? È qui che entrano in gioco gli "atomateriali".

Cosa sono gli atomateriali?

"Atomaterials" è l'abbreviazione di "materiali atomici, "così chiamato perché le loro proprietà dipendono dalla precisa configurazione dei loro atomi. È un campo nuovo ma in rapido sviluppo.

Un esempio è il grafene, che è fatto di atomi di carbonio. A differenza del diamante, in cui gli atomi di carbonio formano una rigida struttura tridimensionale, il grafene è costituito da un singolo strato di atomi di carbonio, legati insieme in un reticolo a nido d'ape bidimensionale.

La struttura rigida del diamante è la ragione della sua celebrata durezza e longevità, rendendolo il materiale perfetto per punte da trapano di fascia alta e gioielli costosi. In contrasto, la forma bidimensionale degli atomi di carbonio nel grafene consente agli elettroni di viaggiare senza attrito ad alta velocità dando una conduttività ultraelevata e un'eccezionale resistenza meccanica in piano. Così, il grafene ha ampie applicazioni nei medicinali, elettronica, stoccaggio di energia, lavorazione leggera, e filtrazione dell'acqua.

Usando i laser, possiamo modellare queste strutture atomiche in dispositivi miniaturizzati con prestazioni eccezionali.

Usando atomateriali, il nostro laboratorio ha lavorato su una serie di innovazioni, nelle varie fasi di sviluppo. Loro includono:

• Un magico film rinfrescante . Questa pellicola può raffreddare l'ambiente fino a 10 senza utilizzare elettricità. Integrando un film del genere in un edificio, l'elettricità utilizzata per l'aria condizionata può essere ridotta del 35%, e i blackout estivi dell'elettricità si sono effettivamente fermati. Ciò non solo farà risparmiare bollette elettriche, ma ridurrà anche le emissioni di gas serra.
• Pellicola termoassorbente . Circa il 97% dell'acqua della Terra si trova negli oceani, ed è salato e inutilizzabile senza costose lavorazioni. La rimozione efficiente del sale dall'acqua di mare potrebbe essere una soluzione a lungo termine alla crescente scarsità globale di acqua dolce. Con un film di grafene a energia solare, questo processo può essere reso molto efficiente.

Il film assorbe quasi tutta la luce del sole che lo investe e lo converte in calore. La temperatura può essere aumentata a 160 entro 30 secondi. Questo calore può quindi distillare l'acqua di mare con un'efficienza superiore al 95%, e l'acqua distillata è più pulita dell'acqua del rubinetto. Questa tecnologia a basso costo può essere adatta per applicazioni domestiche e industriali.

• Pellicola intelligente . Questi film flessibili in atomateriale possono incorporare un'ampia gamma di funzioni tra cui il rilevamento ambientale, comunicazione, e accumulo di energia. Hanno una vasta gamma di applicazioni nel settore sanitario, gli sport, produzione avanzata, agricoltura, e altri. Per esempio, i film intelligenti potrebbero monitorare l'umidità del suolo vicino alle radici delle piante, contribuendo così a rendere l'agricoltura più efficiente dal punto di vista idrico.
• Ultra sottile, lenti ultraleggere . La parte più ingombrante della fotocamera di un telefono cellulare è l'obiettivo, perché necessita di vetro spesso con particolari proprietà ottiche. Ma le lenti realizzate con il grafene possono avere uno spessore di pochi milionesimi di millimetro, e fornire comunque una qualità dell'immagine superba. Tali obiettivi potrebbero ridurre notevolmente il peso e il costo di qualsiasi cosa, dai telefoni ai satelliti spaziali.
• Alimentazione quasi istantanea . Abbiamo sviluppato un supercondensatore ecologico in grafene che carica i dispositivi in ​​pochi secondi, e ha una durata di milioni di cicli di carica. Attaccandolo al retro di una cella solare, può immagazzinare e fornire energia solare quando e dove richiesto. Sarai libero e veramente mobile.

Dove il prossimo?

Possono volerci anni prima che alcune di queste tecnologie di laboratorio raggiungano la loro fruizione. Per cercare di accelerare il processo, abbiamo istituito il CTAM Global OpenLab per interagire con l'industria, accademico, governo e la comunità più ampia e promuovere la condivisione e la collaborazione. Il laboratorio è stato lanciato all'inizio di questo mese alla Conferenza internazionale sulle scienze e applicazioni di nanomateriali e atomateriali (ICNASA2020).

Il mondo sta affrontando sfide urgenti, dal cambiamento climatico, alla scarsità di energia e risorse, alla nostra salute e al nostro benessere.

L'innovazione dei materiali è più vitale che mai e deve essere più efficiente, design-driven and environmentally friendly. But these challenges can only be solved by joint effort from worldwide researchers, enterprise, industry and government with a sharing and open mindset.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.