Impatto della scienza sulle nanotecnologie e sull’industria energetica

[Traduzione di Redazione da: Science's Impact on Nanotechnology and the Energy Industry | Stratfor]

Sommario

Le potenzialità della scienza per migliorare la tecnologia – e quindi dare potere a chi la detiene – è stata una costante nel corso della storia, proprio come i vincoli geografici che determinano le azioni e gli atteggiamenti delle nazioni. Alcuni tipi di tecnologia, come lo sviluppo del trasporto con mezzi a motore, hanno cambiato il rapporto tra gli esseri umani e l’ambiente circostante. Il campo delle nanotecnologie è una di quelle aree che ha le potenzialità di modificare radicalmente il modo in cui le persone e le organizzazioni interagiscono con il loro ambiente.

I progressi nella scienza di base consentono una migliore comprensione dei suoi processi fondamentali, fornendo una solida base su cui sviluppare e costruire nuove tecnologie. Per i sistemi di fabbricazione che sfruttano reazioni chimiche, come le celle a combustibile, le batterie o i pannelli solari, questa base si poggia prima di tutto sulla comprensione del meccanismo stesso – la reazione chimica. Sfruttando i progressi nelle tecnologie di imaging, oggi è diventato possibile visualizzare e osservare interazioni a livello atomico. Le implicazioni di questo processo potrebbero rivoluzionare i settori della produzione e dello stoccaggio di energia.

Analisi

I laboratori nazionali statunitensi Brookhaven hanno annunciato il 6 gennaio scorso di avere utilizzato con successo tutta una serie di tecniche di imaging arrivando alla “capacità senza precedenti di osservare in tempo reale reazioni dinamiche” a una risoluzione nanometrica. La potenza di questa metodologia è stata illustrata studiando una reazione capace di produrre idrogeno nelle celle a combustibile. Essere in grado di capire come funziona una reazione chimica a livello atomico – nelle condizioni operative realistiche che si possono trovare in un concreto ambiente produttivo – può in prospettiva ridurre significativamente i tempi di ricerca e sviluppo necessari per le nuove tecnologie che utilizzano tali reazioni.

Queste capacità di imaging saranno incredibilmente importanti per il campo delle nanotecnologie e potrebbero avere importanti ricadute sulle tecnologie delle celle a combustibile e delle batterie, tanto più che questi campi guardano sempre più alle nanoscienze per i loro futuri progressi. Geopoliticamente, i progressi nella tecnologia delle batterie hanno implicazioni diffuse. Dalla robotica alle energie rinnovabili, una migliore tecnologia delle batterie potrebbe superare i vincoli demografici ed energetici o consentire a nazioni avversarie di farsi la guerra in modo più efficiente.

Nanotecnologie e Imaging

L’invenzione del primo microscopio permise una visione e una migliore comprensione di fenomeni che l’occhio umano non poteva osservare. Il campo della medicina è quello che ha più velocemente degli altri beneficiato di tecniche di imaging migliori e continua a farlo. All’inizio, nella microscopia non era possibile studiare tessuti viventi ad alta risoluzione. In seguito, l’uso di tecniche di imaging si è diffuso grazie ai miglioramenti e perfezionamenti dello strumento, consentendo una migliore risoluzione e una visione non distruttiva dei tessuti. Ciò ha reso possibile comprendere i processi biologici e di conseguenza indirizzarsi verso farmaci e altre cure mediche più efficaci. La medicina è il campo più indicato per rendersi conto dell’impatto concreto dei miglioramenti nella microscopia e nelle altre tecnologie di imaging, ma non è l’unico. La nanotecnologia come è concepita oggi non sarebbe immaginabile senza i progressi nella microscopia registrati negli anni 80. Ora, con la visualizzazione di reazioni chimiche alla scala atomica in tempo reale, un altro mistero è stato svelato.

La nanotecnologia è semplicemente la scienza dell’infinitamente piccolo. Per essere definita “nano”, la tecnologia deve avere una dimensione (lunghezza, larghezza o altezza), tra uno e cento nanometri. Un nanometro è un miliardesimo di metro; a titolo di paragone, si consideri che il diametro di un capello umano è 100.000 volte più grande di quello di un nanotubo di carbonio. Le nanotecnologie riguardano qualsiasi materiale o reazione chimica le cui proprietà sono dipendenti dalle sue piccole dimensioni.

La dimensione conta perché può modificare le proprietà intrinseche chimiche e fisiche della materia. I legami sono differenti, l’integrità strutturale è differente, e per questo le proprietà del materiale sono differenti. Una nanostruttura è caratterizzata dall’avere una proporzione molto alta di atomi che stanno in superficie. Questa maggiore estensione superficiale permette una maggiore reattività, che a sua volta influisce sulle reazioni chimiche e sull’immagazzinamento di energia. Inoltre anche le proprietà elettroniche di certi materiali cambiano. Colore, resistenza e flessibilità vengono alterati passando dalla scala macro- a quella nano-metrica.

Anche in precedenza le tecnologie di imaging erano stato in grado di fornire informazioni sui materiali composti a scale molto piccole. La visualizzazione della struttura della materia permetteva agli scienziati di comprendere meglio come il materiale interagisse con l’ambiente circostante. Tuttavia, fino a poco tempo fa, gli scienziati dovevano scegliere tra l’alta risoluzione che permetteva di osservare le nanostrutture a livello atomico e lo studio delle reazioni in situ (cioè in tempo reale, mentre la reazione è in corso). Ma negli ultimi cinque anni in particolare, sono state portate avanti con successo una serie di modifiche alla microscopia avanzata e alla spettroscopia a raggi X, dando così agli scienziati la possibilità di osservare selettivamente reazioni ad una scala nanometrica – in tempo reale.

Se da un lato è diventato possibile fare osservazioni in tempo reale con risoluzioni a livello atomico, questi esperimenti hanno ancora delle limitazioni. Spesso, viene utilizzata una sola tecnica per studio e di solito gli esperimenti devono essere eseguiti a pressioni molto basse. A causa di ciò – e nonostante il fatto che i ricercatori possono osservare gli esperimenti in tempo reale e a una scala atomica – tali vincoli non permettono di comprendere appieno quali ricadute avrebbe la commercializzazione di prodotti creati con le nanotecnologie. Se i materiali in fase di studio fossero prodotti e commercializzati su larga scala, ci potrebbero essere interazioni impreviste con l’ambiente.

Gli esperimenti descritti dall’annuncio del 6 gennaio comprendono una vasta gamma di tecniche di imaging, ciascuna delle quali offre informazioni diverse a pressioni vicine a quelle ambientali. Anche se ciò ancora non riproduce esattamente il mondo reale, ci si avvicina molto più dello stato dell’arte precedente. Più le condizioni sperimentali si avvicinano a quelle dell’ambiente reale, maggiori sono le possibilità di sfruttare concretamente le relative applicazioni tecnologiche. Quando gli studi precedenti venivano condotti a basse pressioni, i ricercatori non erano necessariamente in grado di valutare le possibili interazioni ambientali. I laboratori nazionali Brookhaven prevedono di riuscire entro il 2015 a migliorare le funzionalità della loro spettroscopia a raggi X (una delle tecniche di imaging utilizzate nei suoi recenti studi) in modo tale da essere in grado di effettuare misurazioni alla pressione ambientale, arrivando così ancora più vicini a riprodurre fedelmente ciò che accade nel mondo reale.

Batterie e stoccaggio di energia

Mentre i miglioramenti in queste tecniche di imaging sono potenzialmente in grado di far progredire una vasta gamma di settori della chimica e dei campi a essa connessi, una tra le tecnologie più significative a livello geopolitico che potrebbero beneficiarne in futuro è quella delle batterie. Una migliore tecnologia delle batterie può avere ricadute in numerosi settori della società: dalle industrie del settore energetico e della robotica al settore dei trasporti e all’esercito.

Affinché si possano sfruttare meglio le fonti di energia rinnovabile intermittenti, come il vento o i raggi solari, devono essere migliorate in modo significativo le attuali capacità di immagazzinare energia. Qualsiasi dispositivo di stoccaggio su larga scala dovrebbe inoltre essere in grado di rilasciare rapidamente l’energia contenuta, per soddisfare i livelli di domanda della rete elettrica, capacità che le batterie attuali non hanno ancora nonostante la crescente diffusione di impianti per le fonti rinnovabili. Per far ciò la tecnologia attuale dovrà essere migliorata oppure occorrerà sviluppare tecnologie alternative. Nelle batterie di grandi dimensioni da impiegare nella rete elettrica, durata, capacità e velocità di rilascio dell’energia sono direzioni chiave per lo sviluppo.

C’è anche una forte esigenza di miglioramenti per le batterie di dimensioni ridotte. Spesso il limite più grande alla dimensione, al peso e all’efficienza di un ritrovato tecnologico portatile è la batteria. Oggi facciamo sempre più affidamento sui dispositivi tecnologici di uso quotidiano, e a maggior ragione dipendiamo dalle loro batterie. Oltre ai prodotti tecnologici di largo consumo, due delle principali aree di sviluppo per l’impiego delle batterie sono la robotica e il settore militare. La robotica potrebbe consentire una maggiore produttività risparmiando manodopera, permettendo alla popolazione di invecchiare senza rinunciare alla crescita economica, ma ora è vincolata all’uso di batterie interne che si scaricano rapidamente, mentre un robot connesso alla rete elettrica sarebbe in gran parte inutile.

Dal punto di vista militare, una batteria piccola, leggera e di lunga durata è come il Sacro Graal. I soldati moderni utilizzano un’enorme quantità di apparecchiature alimentate da batterie: dalle radio ai dispositivi per la visione notturna, dispositivi di oscuramento, sensori di ricerca e puntamento, visori termici, telemetri laser, apparecchi GPS, sistemi di orientamento e di acquisizione dei bersagli e così via. Il più grande vincolo allo sviluppo pratico di un cybersoldato è la batteria. Per alimentare i tipi di batterie usate in applicazioni robotiche e militari, la densità di energia delle batterie deve essere migliorata perché la batteria deve essere la più leggera possibile se i sistemi devono lavorare in mobilità per lunghi periodi di tempo .

Molte università e molte imprese si stanno concentrando sulle batterie che utilizzano le nanotecnologie per aumentarne densità di energia, capacità di stoccaggio e durata. Poiché i cambiamenti relativi a proprietà diverse dipendono da tecnologie diverse, i progressi in quest’area non saranno il risultato di un’unica soluzione, e ogni singola tecnologia dovrà seguire un suo proprio processo di sviluppo. A causa del crescente affidamento sulle nanotecnologie, il campo di ricerca che riguarda le batterie si trova a beneficiare enormemente di una migliore osservazione e comprensione delle reazioni chimiche su scala nanometrica. Le tecniche di imaging avanzate sono essenziali perché permettendo una migliore comprensione di tutte queste soluzioni possono contribuire a ridurre i tempi di sviluppo su tutta la linea. Oltre a conoscere l’esatto meccanismo della reazione desiderata, essere in grado di osservare i processi di decadimento che interferiscono con il risultato atteso renderà più facile effettuare i necessari aggiustamenti e miglioramenti.

Vincoli alla commercializzazione

Una maggiore comprensione delle reazioni chimiche non rappresenterà una soluzione completa e istantanea ai processi di ricerca e sviluppo sia delle batterie che di qualsiasi altro prodotto tecnologico. Le apparecchiature in grado di eseguire gli esperimenti riportati dai laboratori Brookhaven sono ancora poco numerose, sebbene si possa prevedere che il loro impiego è destinato a diffondersi, una volta che la tecnologia venga accettata. Le tecniche di visualizzazione avanzate possono ridurre significativamente i tempi di ricerca e sviluppo per i nuovi ritrovati tecnologici.

I tempi di ricerca e sviluppo necessari a ogni tecnologia richiedono generalmente degli investimenti a fondo perduto e per questo motivo, almeno negli Stati Uniti e in Europa, molta della ricerca di base è condotta nei laboratori universitari. Passare da una scoperta scientifica alla commercializzazione di un prodotto può richiedere anni se non addirittura decenni. Attrarre capitali e investitori con questi tempi di ritorno è molto molto arduo. La transizione lenta e spesso difficile dalla ricerca accademica alla commercializzazione del prodotto è un limite permanente che le nascenti tecnologie devono affrontare. Anche negli Stati Uniti e in Europa occidentale, dove viene incoraggiata l’innovazione, la transizione può essere difficile.

Negli Stati Uniti, un numero crescente di docenti universitari fondano aziende private subito dopo una scoperta promettente, e così il confine tra mondo accademico e industria diventa sempre più labile. Tuttavia, i sistemi di finanziamento che favoriscono la ricerca con immediate applicazioni nella vita reale possono minacciare la vitalità della ricerca di base, come lo studio dei meccanismi di reazione chimica. Inoltre, in paesi come la Cina, le politiche statali di controllo dello Stato e di governo assegnano finanziamenti limitati alla ricerca di base privilegiando sviluppi tecnologici più rapidi, rendendo così ancora più difficile portare avanti veri processi di innovazione.

Guardando al futuro

Le nuove tecniche di imaging non forniranno da sole la formula magica necessaria per costruire la batteria perfetta. Tuttavia, esse permetteranno alla fine ai ricercatori di capire esattamente come le reazioni chimiche lavorano a livello atomico, e potranno aiutare a determinare come i fattori ambientali incidono in un dato sistema. Ciò permetterà ai ricercatori di indirizzare lo sviluppo delle nuove tecnologie verso le strade più promettenti, o trovare soluzioni ai problemi esistenti. Questo processo di avanzamento è in grado potenzialmente di aumentare l’efficienza della ricerca nei primi stadi di sviluppo, riducendo il tempo necessario per sviluppare una nuova funzionalità o un nuovo sistema. Ciò significa per le tecnologie emergenti essere in grado di attrarre maggiori investimenti, i quali a loro volta accelereranno ulteriormente i processi di sviluppo.

In definitiva, nuove batterie, nuove celle a combustibile o nuovi pannelli solari potrebbero essere sviluppati anni prima di quanto si sarebbe potuto pensare. Le nanotecnologie come settore moderno non sarebbero state immaginabili nel 1980 senza i progressi della microscopia. Le ultime innovazioni nelle tecniche di imaging possono potenzialmente portare a nuovi avanzamenti delle nanotecnologie ad un ritmo molto più veloce di quanto sarebbe stato possibile senza di esse. I progressi nelle scienze di base e di supporto che contribuiscono allo sviluppo tecnologico possono anche non essere in grado di cambiare la geografia, ma forniscono comunque una solida base per tecnologie rivoluzionarie che incideranno su ogni aspetto della nostra interazione con l’ambiente circostante, sempre più plasmata dall’ingegneria e dall’elettronica.