DIECI ALLA MENO NOVE CONSIGLIA LA LETTURA DELLA RIVISTA:

domenica 18 ottobre 2009

Processo fotocatalitico per innovazioni nanotech nella edilizia


L’inquinamento atmosferico è sempre più fonte di numerosi problemi per la salute di ognuno di noi, di conseguenza è indispensabile trovare nuove soluzioni per migliorare la qualità dell'aria, rendendo migliore il nostro vivere quotidiano.
I fumi di scarico delle produzioni industriali e degli impianti di riscaldamento uniti agli ossidi di azoto contenuti nei gas di scarico delle auto sono tra i principali fattori che determinano una cattiva qualità dell'aria. L’allarme smog dovuto alle polveri sottili, chiamate PM 10 e PM 2.5, non solo danneggia le persone, ma anche i monumenti e gli edifici delle nostre città.
Bisogna evidenziare anche che esiste un inquinamento atmosferico prodotto da cause naturali,
come ad esempio le polveri prodotte dai forti venti che soffiano sui deserti, le ceneri derivanti dai
vulcani, e l’aerosol marino, che in ogni modo contribuiscono al danno ambientale.
Oggi è possibile arginare questi problemi utilizzando un principio attivo contenuto nelle pitture, negli intonaci, nelle murature e nelle pavimentazioni, capace di minimizzare l'inquinamento atmosferico, ed in particolare i biossidi di azoto.
Questo principio attivo è il processo fotocatalitico in grado di riprodurre ciò che avviene in natura durante la fotosintesi clorofilliana, infatti, i catalizzatori contenuti in questi prodotti sviluppano in brevissimo tempo, alla frequenza luminosa di circa 380 nm, una attività ossidativa che alla presenza di luce e aria, trasforma gli inquinanti organici e inorganici in sostanze favorevoli all’ambiente.
Anche in presenza di nuvole, abbiamo una sufficiente attività fotocatalitica, poiché basta poca luce per ottenere il massimo dell’efficienza del prodotto.
Possiamo quindi dire in modo formale che la fotocatalisi è un fenomeno naturale in cui una sostanza, detta fotocatalizzatore, attraverso l’azione della luce, sia naturale che prodotta da speciali lampade, modifica la velocità di una reazione chimica.
Questo processo avviene quindi a costo zero, poiché sfrutta la luce solare che tutti i giorni raggiunge la terra in misura notevolmente superiore al consumo energetico mondiale annuo.
In questo contesto la fotochimica applicata ai materiali da costruzione potrebbe trasformarsi in una soluzione molto interessante, visto che oggi è già parte integrante di una strategia che mira a ridurre l’inquinamento ambientale.
Vediamo più da vicino questi prodotti nanotech per l’edilizia, sapendo che i sistemi di mitigazione dell’inquinamento ambientale tramite l’applicazione di pitture fotocatalitiche furono introdotti in Giappone circa 20 anni fa.
I vantaggi pratici di queste tecnologie innovative si potranno osservare all'interno delle case dove non avremo più le pareti annerite dall’azione dei caloriferi o unte dal grasso di cottura dei fornelli, ma anche negli ambienti dove si pratica sport ottenendo superfici pulite ed asettiche, che limitano il timore di infezioni da funghi per mezzo di un'aria più salutare. Addirittura nelle periferie delle città, sarà possibile notare meno inquinamento grazie alle facciate trattate con questi prodotti fotocatalitici, mentre in luoghi come ospedali o ambulatori si potrà ottenere la riduzione di germi, microbi e batteri.
Di conseguenza la pittura fotocatalitica è molto apprezzata ed utilizzata per applicazioni quali ospedali, sale operatorie, scuole, mense industrie alimentari ed in tutti quegli ambienti in cui è richiesta la massima asetticità.
Si è calcolato che, una superficie di x metri quadri, rifinita con prodotto fotocatalitico, riesce a pulire circa 200x metri cubi di aria in circa 10 ore di luce, infatti, la parete funziona solo come catalizzatore, sfruttando l’ossigeno e l’acqua presenti nell’aria; di conseguenza la sua capacità di abbattere lo smog rimane inalterata nel tempo.
La ricerca e la tecnologia fotocatalitica sono in grado di arrivare ad un risultato ambientale sicuramente positivo, dimostrando come l’inquinamento possa essere combattuto con facilità e a bassi costi.
L’attività dei materiali fotocatalitici è originata dalla luce che, colpendo la superficie del materiale interessato, attiva le molecole di catalizzatore permettendo l’innesco di reazioni chimiche altrimenti irrealizzabili a temperatura ambiente. I materiali fotocatalitici di interesse edile attivano principalmente reazioni di ossidazione di una gran varietà di composti organici ed inorganici adsorbiti o depositati sulla superficie.
In base alle finalità applicative del prodotto sviluppato, le reazioni di ossidazione possono essere utilizzate per rimuovere dall’aria composti inquinanti, come gli idrocarburi aromatici quali il Benzene, il Toluene, e l’Etilbenzene, o gli ossidi di azoto (NOx), per impedire o rallentare il deposito di film organici sulle superfici.
Queste azioni sono necessarie per impedire la formazione di patine scure sui manufatti architettonici esposti all’ambiente urbano, ma sono anche utili per disinfettare le superfici da contaminanti biologici quali batteri, funghi e virus.
Grande interesse stanno dimostrando verso questi nuovi prodotti sia i progettisti che le Pubbliche Amministrazioni, infatti, alcuni Comuni, fra i più sensibili alla lotta contro l’inquinamento, stanno inserendo nei loro regolamenti edilizi e nei piani regolatori incentivi all’uso del fotocatalitico.
Il Decreto del Ministero dell’Ambiente e della Tutela del Territorio del 1 aprile 2004 che individua, nei prodotti fotocatalitici quali pitture, malte, intonaci, rivestimenti, un sistema e una tecnologia innovativa per la mitigazione e l’abbattimento dell’inquinamento ambientale, testimonia quanto detto in precedenza.
In conclusione le sostanze inquinanti sopra descritte vengono trasformate, attraverso un processo di nanotecnologia, in calcare CaCo3, in nitrati di sodio NaNo3, e carbonati di sodio che sono assolutamente innocui per la salute pubblica.

domenica 11 ottobre 2009

Nanotecnologie sempre più Disruptive Technology


Le nanotecnologie sono considerate, fin dal loro inizio, come la forza trainante per una nuova rivoluzione industriale, attraendo risorse finanziarie ed investimenti da parte di governi e multinazionali di tutto il mondo.
L’innovazione nanotecnologica permette la crescita ed il cambiamento della produzione industriale anche quando le nuove aziende competitors mettono in crisi economica e finanziaria le imprese incumbent legate a tecnologie obsolete e superate.
Un docente di Harvard, Clayton Christensen, nel 1995 propose il termine Disruptive Technology indicando un’innovazione che in tempi rapidi si imponesse e conquistasse un mercato esistente, o ne facesse nascere uno completamente nuovo.
Nella sua analisi Christensen riconosce in alcune tecnologie la capacità di cambiare drasticamente le dinamiche di mercato, a spese delle imprese e dei prodotti ormai consolidati, determinando effetti devastanti sugli incumbents poiché molte di esse sono in grado di sviluppare prodotti in grado di sostituire quelli esistenti.
Le imprese incumbent, in questo contesto, sono incapaci di rispondere senza perdere profitti trovandosi a dover affrontare un’erosione progressiva della loro quota di mercato.
Nella prima metà del ventesimo secolo, si definiva questo processo “distruzione creativa”, rilevando sia gli aspetti positivi che quelli negativi del cambiamento tecnologico ed industriale, quali la nascita di nuovi impieghi, imprese ed industrie, e di contro la crisi strutturale di alcune imprese costrette a chiudere dal cambiamento tecnologico.
La storia è piena di questi cambiamenti tecnologici, lo sono stati l’elettricità, con il fisico italiano Girolamo Cardano che con il De Subtilitate nel 1550, distinse, forse per la prima volta, la forza elettrica da quella magnetica; il motore a vapore, con molteplici applicazioni avute all'inizio del XVIII secolo, soprattutto per il pompaggio dell'acqua dalle miniere; il telefono, attribuito ad Antonio Meucci che nel 1871 dimostrò il funzionamento del suo apparecchio che chiamò telettrofono; internet, una rete di computer mondiale ad accesso pubblico teorizzata per la prima volta nel 1960 dallo statunitense J.C.R. Licklider, docente del Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Più lontano dai nostri giorni facevano vanto di se altre importanti innovazioni come la ruota, inventata nell'antica Mesopotamia nel V millennio a.C. per la lavorazione di vasellame; l’agricoltura, nata circa 11.000 anni fa attraverso la domesticazione avvenuta per la prima volta in un villaggio presso il fiume Giordano a 15 km a nord di Gerico.
Ritornando al nanotech il concetto di Disruptive Technology è intrinseco nella definizione stessa del termine “nanotecnologia” che può avere significati diversi.
Gran parte delle definizioni possono essere ricondotte allo studio ed al controllo di fenomeni e materiali in scala di lunghezza al di sotto dei 100 nanometri.
Altre definizioni si basano sul fatto che in un sistema nanotecnologico, la scala di lunghezza dei componenti deve essere a livello nanometrico e le proprietà chimico-fisiche devono essere legate alla stessa dimensione nanoscopica. Infatti, la nanotecnologia ha creato una specie di rivoluzione nella scienza fisica e nell’ingegneria, legando tra loro possibili settori di ricerca, come la chimica e la scienza dei materiali, ma anche come la biologia e la medicina, determinando, di fatto, una scienza innovativa multidisciplinare.
E’ proprio questa multidisciplinarità che consente la produzione di materiali tecnologicamente rivoluzionari, destinati nel breve periodo a sostituire i vecchi prodotti industriali ed a saturare il mercato dell’alta tecnologia.
Limitatamente al settore dell’elettronica vorrei evidenziare quanto scrive Federico Faggin sulla definizione del termine “nanoelettronica” asserendo che questa rappresenta una nuova classe di dispositivi elettronici più piccoli e più veloci, basati su nuovi principi di funzionamento, che promettono di sostituire i transistori MOS. La nanoelettronica, di conseguenza, offre una nuova strada per continuare ad aumentare le prestazioni e ridurre le dimensioni e il costo dei circuiti integrati, una volta che i transistori MOS hanno raggiunto il limite fisico dello scaling.
Proprio il raggiungimento del limite fisico dello scaling potrebbe sentenziare la fine del transistor al silicio per dare spazio a nuove produzioni competitors basate, ad esempio, sui nanotubi di carbonio o meglio ancora sul grafene.
Quindi le Disruptive Technology intese come versioni dei prodotti più innovativi, con un target clienti interamente nuovo, emergono facilmente, paralizzando le aziende istituite.
Esse sono, nella fase iniziale, indirizzate a servire le fasce più alte del mercato ed alla fine, quando si consolidano e migliorano la loro affidabilità, riescono a conquistare quote fondamentali di mercato sostituendo il prodotto che prima dominava.

giovedì 1 ottobre 2009

Grafene più “silenzioso” del silicio

La prima distinzione necessaria da fare, in un circuito elettrico, è quella tra rumore e disturbo, per rumore solitamente si intende l’insieme dei segnali di origine interna, mentre i disturbi sono i segnali che provengono dall'esterno. Secondo quanto definito nel dizionario del IEEE ( Institute of Electrical and Electronic Engineers), il rumore in un sistema elettrico si può considerare come l’insieme di tutte le perturbazioni indesiderate che si sovrappongono al segnale utile e tendono a mascherarne il contenuto. Quindi in elettronica per rumore spesso si indica l’agitazione che hanno gli atomi e gli elettroni a causa della agitazione termica, dell’intrappolamento e del rilassamento dei portatori.
In modo analogo a livello macroscopico il rumore dei sistemi elettrici può essere rappresentato, per far comprendere meglio il fenomeno, dalle bolle generate in un becher pieno d’acqua posto sopra un fornello. Infatti, appena il fornello è acceso si nota l'appannamento del becher, dopo pochi minuti l'appannamento scompare e la temperatura dell'acqua sale, all’inizio in modo regolare, poi più lentamente finché, raggiunti i 100 °C, si stabilizza mentre l'acqua comincia a bollire vigorosamente.
Tornando all’elettronica, si può dire che la sorgente di rumore più comune nei dispositivi elettronici è il rumore termico, questo è intrinseco in ogni elemento dissipativo, come ad esempio il resistore, che si trova ad una temperatura diversa dallo zero assoluto. Si è soliti intendere, per convenzione, come rumore interno solo quello termico, poiché questo ultimo è la principale sorgente del rumore interno. In realtà in elettronica si considerano altri rumori come, ad esempio, il rumore shot prodotto dai portatori di carica quando attraversano una barriera di potenziale come nelle giunzioni p-n. Dal punto di vista pratico e funzionale il rumore presente nei circuiti elettronici limita la massima risoluzione strumentale del sistema in cui essi sono inseriti, come succede nel caso di elevati livelli di rumore, al suono distorto di un altoparlante, o al degrado di un’immagine di un sistema televisivo.
I transistor moderni, che compongono la quasi totalità dei sistemi elettronici, sono divisi in due categorie principali i transistor bipolari (BJT) e i transistor ad effetto di campo (FET). Nel transistor bipolare il meccanismo di amplificazione dipende dai portatori minoritari (controllati dalla corrente o tensione di base), mentre i FET sono più semplicemente resistenze variabili controllate dal gate.
La loro progressiva riduzione dimensionale, coerente con la prima legge di Moore, spalanca le porte alle nanotecnologie nei sistemi elettronici, evidenziando nuovi problemi progettuali che possono mettere a rischio l’affidabilità stessa del componente.
Possiamo considerare il "nanoscaling" come una progressione che mette in contrapposizione due definizioni di nanotecnologia. Secondo la prima, strettamente dimensionale, è nanotecnologia ciò che produce componenti sotto i 100 nanometri o miliardesimi di metro. Per la seconda definizione, più scientifica e massimalista, la nanotecnologia è ciò che manipola componenti in modo da cambiarne le proprietà, sfruttando effetti quantistici a livello nanometrico.
In ogni caso, la corsa verso la riduzione dimensionale dei circuiti integrati è in pieno svolgimento, e con essa tutti i problemi correlati tra cui la riduzione del rumore elettrico.
Uno dei maggiori problemi legati all'uso dei sempre più ridotti componenti nanotech è la relazione inversa tra le dimensioni del dispositivo e la quantità di rumore elettrico incontrollato che viene generato, infatti, più sono ridotti nelle dimensioni, tanto più cresce il rumore.
La crescita del rumore è dovuta alle cariche elettriche che rimbalzano intorno al materiale e che causano molteplici interferenze, vanificando l'utilità del dispositivo stesso. Questo fenomeno è noto come Effetto Hooge e si verifica nei dispositivi tradizionali costituiti da silicio.
A dimensioni nanometriche, l'impatto sul rumore dell'Effetto Hooge è molto amplificato, perché le dimensioni si avvicinano a quelle di pochi atomi, e il rumore generato può essere superiore al segnale elettrico che si deve ottenere. Si può pertanto asserire che a livello nanometrico il rumore coincide con il segnale, in altre parole, non è possibile produrre alcun dispositivo elettronico, utile a dimensioni nanometriche, se il rumore è paragonabile al segnale che si sta tentando di generare.
Per risolvere questo problema i ricercatori IBM hanno scoperto che il rumore nei dispositivi semiconduttori basati sul grafene può essere quasi totalmente soppresso. Nei loro esperimenti hanno scoperto che utilizzando due fogli di grafene, posti uno sopra l'altro, al posto di un solo strato, come è stato fatto nelle progettazioni precedenti, il rumore è ridotto in modo significativo.
Questi risultati sperimentali consentiranno l’incremento dell’utilizzo del grafene al posto del silicio, per realizzare semiconduttori più efficienti da destinare alla fabbricazione di sensori, di sistemi informatici e di comunicazione.