Macchine e dispositivi elettronici generano spesso calore di scarto difficile da utilizzare. Se l'elettricità potesse essere generata da questo calore di scarto, offrirebbe un mezzo per una produzione di energia pulita e sostenibile:una tale tecnologia sarebbe ideale per applicazioni elettroniche a bassa potenza come dispositivi indossabili o dispositivi Internet delle cose a basso costo. Ciò include, ad esempio, dispositivi e sensori indossabili (medici), con un'ampia gamma di applicazioni nel settore sanitario e sportivo, negli edifici intelligenti e nelle applicazioni di mobilità.

I generatori termoelettrici, macchine che generano elettricità sfruttando le differenze di temperatura, esistono già ma il loro rendimento di conversione è generalmente basso e si produce solo poca elettricità. La generazione di più elettricità richiederebbe materiali che abbiano contemporaneamente un'elevata conduttività elettrica e una bassa conduttività termica. Questi due requisiti, tuttavia, spesso si escludono a vicenda.

I punti quantici come soluzione

Negli ultimi anni, diversi gruppi di ricerca in tutto il mondo hanno dimostrato che la conversione termoelettrica può essere notevolmente migliorata sfruttando gli effetti quantistici. Ad esempio, utilizzando punti quantici che agiscono come filtri energetici altamente selettivi, sono stati riportati drastici aumenti dell'efficienza di conversione, alcuni addirittura avvicinandosi ad alcuni dei limiti stabiliti dalle leggi della termodinamica. Il problema:le macchine quantistiche, chiamate anche motori termici quantistici, devono essere raffreddate a temperature di alcuni gradi sopra lo zero assoluto, quindi qualcosa del genere non è molto utile nella vita di tutti i giorni.

I ricercatori dell'Empa potrebbero essere in grado di superare questo problema e creare un motore termico quantistico che funzioni a temperatura ambiente. Mickael L. Perrin, un ricercatore nel laboratorio Transport at Nanoscale dell'Empa guidato da Michel Calame, ha avuto l'idea di utilizzare nanoribbon di grafene, che sono una specialità dell'Empa. I primissimi nanoribbon di grafene sono stati sintetizzati da un altro gruppo di ricerca dell'Empa:Roman Fasel e i suoi colleghi del laboratorio Nanotech@Surfaces dell'Empa. Ormai da diversi anni, i ricercatori dell'Empa hanno lavorato su diversi approcci per creare dispositivi elettronici da tali nanonastri.

Funzionamento a temperatura ambiente con nanonastri di grafene

Mickael L. Perrin è stato in grado di far sì che i nanonastri di grafene si comportassero come punti quantici in precedenza, con alcuni di essi stabili fino a una temperatura di -123 gradi Celsius, ovvero a temperature molto più elevate rispetto ai punti quantici usati prima per la conversione termoelettrica. Ora l'obiettivo è integrare tali nanonastri di grafene in un motore termico quantistico e farlo funzionare a temperatura ambiente. Poiché i nanoribbon hanno una dimensione di pochi nanometri, entrare in contatto con essi richiederà lo sviluppo di tecniche di fabbricazione speciali, che saranno implementate presso il Binnig and Rohrer Nanotechnology Center presso l'IBM Research Center di Rüschlikon. Inoltre, saranno necessari sistemi di misura personalizzati per caratterizzare l'efficienza di conversione energetica.

Se tutto andrà come previsto, Perrin potrebbe creare un minuscolo motore termico su un chip nei prossimi anni. Non solo potrebbe generare elettricità dal calore di scarto, ma al contrario, invertendo il principio di funzionamento, sarebbe adatto per un raffreddamento efficiente.

Con le sue due borse di ricerca di successo, nei prossimi mesi Mickael L. Perrin inizierà la sua assistente alla cattedra all'ETH di Zurigo, nel Dipartimento di Informatica e Ingegneria Elettrica. Nei prossimi anni proseguirà la sua ricerca presso l'Empa, dove sono disponibili apparecchiature all'avanguardia per la caratterizzazione termoelettrica dei motori termici quantistici.

Speriamo solo una soluzione temporanea

Il finanziamento del progetto di Perrin proviene dal FNS e dalla Segreteria di Stato per l'Istruzione, la Ricerca e l'Innovazione (SERI). A causa del mancato accordo quadro tra la Svizzera e l'UE, la Svizzera è esclusa dall'attuale programma di ricerca europeo Horizon Europe. Per intervenire, quest'anno le sovvenzioni ERC Starting sono finanziate direttamente dalla SERI. Questo è l'unico modo per mantenere in Svizzera giovani ricercatori di grande talento. Per ricevere i finanziamenti stanziati direttamente dall'UE, Mickael L. Perrin e gli altri 27 borsisti svizzeri dovrebbero trasferirsi in un'università straniera che fa parte dello Spazio europeo della ricerca. + Esplora ulteriormente

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