Le nanospugne acchiappa-energia

In un solo grammo di materiale risiede un'area porosa di  1000 metri quadri: i ricercatori dell'Università "La Sapienza" stanno studiando l’utilizzo di materiali nanoporosi per ottimizzare la compattezza e l'efficienza dei dispositivi per l'immagazzinamento di energia. Ecco cosa hanno scoperto

A un primo e superficiale sguardo, i materiali nanoporosi appaiono come banali granelli di sabbia. la sorpresa, però, arriva osservandoli sotto la lente del microscopio elettronico. Si scopre così che le minuscole particelle sono ricoperte da numerosissimi pori della dimensione di pochi nanometri (miliardesimi di metro), che formano un'enorme area superficiale: più di 1000 metri quadri in un singolo grammo di materiale.

Sfruttando questa straordinaria proprietà, ingegneri e scienziati dei materiali stanno quindi lavorando con l'intento di sviluppare nuove tecnologie per l'immagazzinamento di energia in dispositivi affidabili, compatti ed economici.

Il gruppo del Dipartimento di Ingegneria meccanica e aerospaziale, guidato Carlo Massimo Casciola, ha sviluppato tecniche avanzate di simulazione molecolare per progettare il materiale ottimale di tali dispositivi: questo approccio innovativo, descritto nello studio pubblicato sulla rivista PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences USA), rappresenta una sorta di "microscopio virtuale", che consente ai ricercatori di investigare fenomeni alla nanoscala con una risoluzione molecolare e su lunghissime scale di tempi, inaccessibili alle normali simulazioni.

img.jpegAllo stato attuale una gran varietà di materiali nanoporosi, che differiscono per composizione chimica e geometrie delle cavità, possono essere utilizzati per realizzare HLS (Heterogenous Lyophobic Systems, o sistemi liofobici eterogenei), dispositivi per l’immagazzinamento di energia basati sulla capacità dei pori di comportarsi come "molle molecolari".

Tali dispositivi si basano su una forma meccanica di immagazzinamento di energia: il materiale nanoporoso viene opportunamente reso idrofobico e sigillato in un contenitore con acqua o altri liquidi a ridotta bagnabilità. Aumentando la pressione del liquido, l'acqua permea i pori e l'energia viene immagazzinata sotto forma di tensione superficiale. Quando la pressione viene riportata al valore originale, la formazione di bolle di vapore all'interno dei miliardi di pori causa l'espansione del contenitore, rendendo nuovamente disponibile l'energia immagazzinata.

Lo studio finanziato dall'Advanced ERC Grant, investigando eventi rari alla nanoscala, ha creato un ponte tra le quantità macroscopiche, di interesse ingegneristico per lo studio degli HLS (come le energie immagazzinate e dissipate e le pressioni di intrusione ed estrusione) e le caratteristiche microscopiche del materiale e del liquido (la chimica e la geometria del materiale nanoporoso e la formazione di una bolla estremamente asimmetrica).

In particolare, è stato osservato che le nanospugne catalizzano la formazione di bolle di vapore, anche in condizioni inaspettate: ad esempio, l'acqua racchiusa in nanopori idrofobici può "bollire" (ovvero formare bolle di vapore) a temperatura ambiente e anche a pressioni estremamente positive, equivalenti a quelle che si possono registrare a profondità sottomarine di 1000 metri. Questi risultati si discostano dalle ipotesi finora avanzate con osservazioni macroscopiche, superando anche l’immaginazione.

Le simulazioni hanno anche mostrato come, aumentando di pochi nanometri la taglia dei nanopori, sia possibile modificare il comportamento degli HLS da dispositivi per l'accumulo di energia, con altissime efficienze energetiche, a smorzatori di peso e ingombro limitato in grado di dissipare grandi quantità di energia meccanica.

<<Questo studio – afferma Casciola – apre nuovi orizzonti per la progettazione di HLS per un gran numero di applicazioni che vanno dalle fonti rinnovabili (ad esempio solare) al recupero di energia, come può avvenire nei sistemi frenanti di nuova generazione; la direzione è quella di una stretta collaborazione con chimici e scienziati dei materiali al fine di ottimizzare la compattezza e l'efficienza dei dispositivi>>.