La parola all’Istituto Italiano di Tecnologia: i nanowires di Zinco

La parola all’Istituto Italiano di Tecnologia: i nanowires di Zinco

Tra i tanti traguardi raggiunti dalla ricerca scientifica nel campo delle nanotecnologie uno dei risultati più importanti riguarda l’ambito del recupero e generazione di energia elettrica da fonti rinnovabili.
Tra questi i cosiddetti Energy Harvester, ovvero letteralmente “immagazzinatori di energia” costituiti da nanowires (dall’inglese, “nanofili”) di ossido di zinco, materiale sul quale si sta ampiamente lavorando all’ IIT (Istituto Italiano di Tecnologia) nella sede di Torino, il Center for Space Human Robotics.
L’ossido di zinco (ZnO) è un materiale estremamente versatile, essendo sia un semiconduttore sia un materiale piezoelettrico. Dal punto di vista chimico è anche molto semplice da sintetizzare e può essere preparato in modo rapido e poco costoso con svariate tecniche e le caratteristiche opportunamente modificate a seconda dell’applicazione finale. In particolare, nella forma di nanowires, il diametro è di scala nanometrica (circa 50-100 nm), mentre la lunghezza può essere variata a piacimento a seconda della durata della sintesi tra i 100 nm fino a 50 µm [1].
Quando è sottoposto ad uno stress meccanico, come una compressione o un piegamento laterale, lo ZnO genera una differenza di potenziale. Collegato quindi ad un opportuno circuito elettrico che formi a uno dei due capi del nanowire un contatto di tipo Schottky (ovvero un diodo, dove la corrente può passare solo in un verso), lo ZnO deformato è in grado di produrre un flusso di elettroni nel circuito esterno che compensa lo squilibrio di cariche elettriche all’interno del materiale. Si genera pertanto della corrente elettrica. La presenza della barriera di Schottky ad un capo del nanowire fa sì che gli elettroni non possano fluire dal circuito elettrico allo ZnO, generando pertanto un accumulo di carica che viene liberato con un improvviso flusso di elettroni e quindi un picco di tensione (e di corrente), quando la deformazione presente nel nanowire viene eliminata. In particolare si è visto che il movimento di cariche elettriche generato è proporzionale allo sforzo meccanico applicato. L’idea interessante è quella di fabbricare tanti nanowires di ZnO tutti dritti ed allineati tra loro, come le setole di una spazzola, vincolati ad una base comune di materiale conduttivo e collegati elettricamente anche dalle loro punte. Applicando una sollecitazione meccanica di qualunque tipo, ad esempio in compressione sulla testa dei nanowires o ponendo in oscillazione le loro punte, ed avendo a disposizione milioni di nanowires allineati verticalmente, la quantità di tensione elettrica generata può raggiungere valori notevoli, dell’ordine di qualche V [2].
È indispensabile tuttavia fabbricare un circuito elettrico adatto in grado di raccogliere e immagazzinare questa energia prodotta. Si può ad esempio utilizzare un semplice circuito di read-out (ovvero di lettura) della corrente generata e ottenere l’informazione sulla pressione meccanica applicata. In questo caso il dispositivo a base di ZnO funziona da sensore piezoelettrico di pressione. Se il circuito elettrico è opportunamente studiato con dei condensatori in grado di accumulare la carica elettrica generata dallo sforzo meccanico applicato, il dispositivo diventa un Energy Harvester, in grado di accumulare la carica e di rilasciarla a richiesta per l’alimentazione di piccole utenze, quali piccoli display LCD, lampadine a LED, eccetera. In particolare si è scoperto che all’aumentare della lunghezza dei nanowires di ZnO, ad esempio da circa 1.5 µm a 5 µm, la quantità di energia prodotta da una sollecitazione meccanica in compressione aumenta da circa 10 nJ a 35 nJ [2].
I dispositivi che derivano da queste proprietà possono quindi essere usati come nano-generatori di corrente elettrica. Immaginiamo di poter possedere un tale dispositivo che anche alle minime sollecitazioni, appunto perché fatto di oggetti nanoscopici, generi corrente elettrica: è un dispositivo che può essere indossato e attivato dai movimenti involontari del corpo umano, quali la respirazione, il battito cardiaco, oppure può essere inserito nella suola di una scarpa e sollecitato ad ogni passo.
A questo proposito i ricercatori dell’IIT di Torino hanno presentato, alla Notte dei Ricercatori il 26 settembre 2013, un dispositivo innovativo costituito da nanowires di ZnO dispersi in una matrice di gomma siliconica. Il composito ottenuto, altamente flessibile e conformabile alle superfici su cui viene applicato, è in grado di generare dei picchi di tensione, che opportunamente immagazzinati in un circuito elettrico di harvesting, permettono l’accensione di uno o più led [3].
Questo dispositivo flessibile è ancora sotto studio per essere utilizzato sia in veste di sensore come pelle artificiale, da applicare sulla superficie di robot umanoidi, o come Energy Harvester, in grado di raccogliere e accumulare energia dalla compressione meccanica, ad esempio come soletta inserita in una scarpa.
La carica elettrica che ne viene generata può essere utilizzata per alimentare dispositivi miniaturizzati e portatili, che monitorino parametri biometrici come la pressione sanguigna o la concentrazione di glucosio nel sangue di un soggetto diabetico. In alternativa questi dispositivi possono generare una quantità di energia sufficiente per ricaricare un cellulare o un dispositivo GPS da polso durante una performance sportiva o una gita in montagna, rendendoci indipendenti dall’utilizzo di batterie o dalla disponibilità di prese elettriche.
In un altro esempio, i ricercatori del gruppo del Professor Wang dell’Università della Georgia hanno anche dimostrato che un singolo nanowires di ZnO lungo circa 500 µm e con diametro compreso tra i 100 e gli 800 nm, montato su un supporto flessibile e collegato elettricamente ai due capi su tale supporto, è in grado di essere sollecitato meccanicamente dal battito cardiaco di un topo e generare circa 3 mV e 30 pA ad ogni battito [4].
È evidente come questi dispositivi a base di ossido di zinco siano in grado di recuperare energia dall’ambiente, dal movimento più o meno volontario e regolare, dalle vibrazioni anche a bassa frequenza. Sono sistemi altamente versatili, portatili e miniaturizzati che permettono di generare energia da fonti rinnovabili, quindi un’energia pulita e sostenibile.

 

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