domenica 16 marzo 2014

Applicazioni delle nanotecnologie

 PROGETTO SCIENZATTIVA

APPLICAZIONI DELLE NANOTECNOLOGIE
dalla presentazione della prof.ssa Elena Tresso
(Università di Torino)

Cosa possono fare le nanotecnologie in relazione al problema energetico? Non potranno certamente risolvere subito tutti i problemi, prima di tutto dobbiamo cercare di ridurre il consumo energetico, poi sicuramente la nanotecnologia potrà darci una mano ad ottimizzare l'uso delle fonti rinnovabili, in particolare il sole.
Nel sito "Nanoforum" c'è la rappresentazione di un albero i cui rami sono le possibili applicazioni della nanotecnologia. In particolare possiamo citare:
1) l'isolamento;
2) la termoelettricità;
3) l'energia portatile;
4) il solare;
5)la produzione di idrogeno.
Vediamo adesso 3 esempi di come le nanotecnologie possono essere applicate.
Esempio 1: parleremo di celle solari al succo di mirtillo.
Esempio 2: vedremo come ottenere idrogeno a partire dall'acqua simulando una fase della fotosintesi.
Esempio 3: vedremo come sia possibile ottenere energia elettrica dai rifiuti organici.

ESEMPIO N°1: CELLE FOTOVOLTAICHE SENSIBILIZZATE CON I COLORANTI.

La cella solare in questo caso viene sensibilizzata con un colorante, che in inglese si dice "dye". E' composta da materiali nanostrutturati. Vengono utilizzate nanoparticelle di biossido di titanio, TiO2. Questa è una sostanza molto usata: per la produzione di vernici, di dentifrici, di creme. Si tratta di un materiale non inquinante, non dannoso e poco costoso. Le sue nanoparticelle vengono rivestite da un colorante, che può essere sia naturale che artificiale, per esempio succo di mirtillo. Nella cella vi è poi un elettrolita liquido, a base di iodio. Il tutto è inserito tra due vetri rivestiti da ossidi trasparenti conduttori e da un catalizzatore al platino. Si ottiene così una specie di "panino" fatto di materiali non inquinanti e poco costosi. La luce colpisce il colorante che assorbe il fotone, questo provoca il trasferimento di un elettrone all'ossido di titanio, l'elettrone passa poi attraverso le nanoparticelle , arriva allo strato conduttore e viene fatto uscire dal sistema per alimentare il nostro dispositivo (l'apparecchio da far funzionare). L'elettrone torna poi in ciclo in quanto l'elettrolita ridà l'elettrone al colorante. L'elettrolita è a base di molecole I3-, le quali si convertono in 3I- liberando un elettrone. In questo sistema è molto importante l'impacchettamento, che viene detto packaging, perchè non deve perdere liquido nel tempo. Questo sistema è stato introdotto molti anni fa da un ricercatore svizzero e da allora è stato studiato ed ottimizzato. Le molecole adatte ad essere utilizzate come coloranti possono essere: il succo d'uva, le antocianine estratte dai pigmenti dei fiori, i pigmenti del vino e infine anche coloranti sintetici a nanoparticelle come i cosiddetti "quantum dots". Le celle che così si producono non sono legate ad un solo tipo di colorante o di colore, ma possono avere vari colori, pertanto trovano interessanti applicazioni in campo architettonico. I nanocristalli migliorano il fenomeno di cattura dei fotoni in base alla loro organizzazione strutturale. La luce rimane praticamente intrappolata ed ha maggiore probabilità di essere assorbita dal sistema e trasformata in corrente elettrica. Per migliorare l'efficienza di raccolta dei fotoni si possono utilizzare anche i nanotubi, si tratta di strutture ben allineate attraverso le quali viene facilitato il passaggio degli elettroni, tuttavia vi è uno svantaggio legato alla superficie del nanotubo, che è molto piccola, pertanto si deve utilizzare meno colorante per ricoprirlo. Attualmente si stanno studiando morfologie intermedie basare sull'uso dell'ossido di zinco, ZnO, grazie al quale si possono sintetizzare nanostrutture con delle ramificazioni, tipo i coralli. Un altro suggerimento per migliorare l'efficienza di questi dispositivi è quello di migliorare la stabilità nel tempo tramite l'uso di materiali plastici nei quali viene inserito l'elettrolita, praticamente si tratta di membrane flessibili, che sigillano il liquido a base di iodio ed evitano così la sua perdita nel tempo. On line possiamo vedere molte immagini di applicazioni architettoniche di questi pannelli solari, con soluzioni molto innovative (vedi slides della presentazione). Le celle solari risultano così integrate nell'edificio, possiamo utilizzare colori diversi, sfruttare la loro flessibilità, si possono realizzare dei disegni. La Apple pensava di dotare i suoi computer di questi dispositivi ma purtroppo la loro effiecenza è ancora alquanto bassa. Altre idee possono essere quella di utilizzarli come pannelli di separazione tra gli ambienti di una casa o come quadri da appendere alle pareti. Questi pannelli possono così alimentare lampade oppure alimentare un tavolo sul quale possiamo ricaricare tutte le nostre apparecchiature elettriche portatili. Viene sfruttata anche la luce diffusa, non solo quella diretta. La Sony ha già commercializzato delle lampade che catturano la luce solare di giorno e di notte questa alimenta dei led. 
Vediamo due video che spiegano la composizione e l'uso di questi dispositivi.



ESEMPIO N°2: UN COMBUSTIBILE PULITO DALL'ACQUA

Altro esempio di applicazione dei materiali nanotecnologici è la messa a punto di celle solari per produrre idrogeno a partire dall'acqua. Sappiamo che l'idrogeno è un combustibile pulito e sarebbe una grande vantaggio ottenerlo dall'acqua non tramite l'elettrolisi, per la quale serve comunque energia elettrica, ma sfruttando il sole. I dispositivi attualmente in fase di studio imitano la prima fase della fotosintesi clorofilliana nella quale avviene questo primo step:

acqua + energia solare ---> idrogeno + ossigeno

Potendo imitare questo passaggio, avremo un combustibile pulito con una fonte di energia pulita. Il nostro dispositivo raccoglie la luce solare su un fotosistema che scatena la dissociazione dell'acqua formando da un parte ossigeno e dall'altra la coppia costituita da ione idrogeno H+ e un elettrone. La cosa essenziale è quella di separare immediatamente l'ossigeno dagli ioni idrogeno, per impedire che, venendo in contatto, tornino di nuovo a dare acqua. Per estarre subito gli ioni H+ prodotti si utilizza una membrana selettiva nanotecnologica. L'idrogeno viene fatto passare attraverso questa membrana e viene convogliato in una zona in cui H+ ed elettrone si ricombinano per dare il gas idrogeno, H2. La membrana è costituita da nanotubi al carbonio e un polimero chiamato Nafion. La membrana viene attraversata dagli ioni H+ e dagli elettroni che, lontani dall'ossigeno, rigenerano il gas. In pratica nel sistema entra acqua ed esce gas, tanto è vero che si notano le bolle di gas. Anche in questo caso si stanno studiando vari accorgimenti per migliorare l'efficienza del sistema. Per esempio si cerca di ridrre la distanza fra gli elettrodi allo scopo di minimizzare la resistenza elettrica della cella. La luce fa funzionare il fotocatalizzatore presente nel sistema. Il MIT sta studiando a fondo questo dispositivo, tanto è vero che possiamo vedere qui sotto un video relativo a questi studi. Si tratta praticamente della sintesi di foglie artificiali.


ESEMPIO N°3: ENERGIA ELETTRICA DAI RIFIUTI ORGANICI

Terzo ed ultimo esempio di applicazioni della nanotecnologia è il dispositivo che permette di ottenere energia elettrica dai rifiuti organici. Si tratta di celle a combustibile microbiologiche. Il sistema è molto innovativo e risponde a due problematiche: la produzione di energia elettrica e il riutilizzo di materiali di scarto. Nelle acque di scarico sono presenti sostanze organiche che possono essere impiegate come produttori di energia. Vengono sfruttati dei batteri che hanno la caratteristica di rilasciare elettroni nel loro metabolismo. La loro attività metabolica in generale è molto complessa, tuttavia ciò che interessa è che prevede il passaggio di elettroni, i quali vengono intercettati e prelevati facendoli passare attraverso un circuito esterno.
Per finire, ecco un'interessante puntata della trasmissione Geo Scienza, in cui gli esperti dell'IIT illustrano alcune interessanti applicazioni delle nanotecnologie. 

GEO SCIENZA: APPLICAZIONI DELLE NANOTECNOLOGIE


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