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A prima vista, la natura e i dispositivi elettronici sembrano trovarsi agli antipodi. Seriamente, che cosa hanno in comune i grandi spazi all’aperto con gli smartphone e i televisori LED?
Secondo un gruppo di ricercatori dell’Università di Cambridge, la risposta è «molto».
«In natura, quando la luce del sole colpisce una foglia, attiva la fotosintesi, che consiste essenzialmente in una serie di processi elettronici il cui compito è di convertire e immagazzinare l’energia», afferma Florian Auras, uno dei ricercatori. «Considerato che il fulcro dei dispositivi moderni è costituito da un processo molto simile, possiamo imparare molto attraverso lo studio della natura.»
Attraverso il progetto EXMOLS, finanziato dall’UE e sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca, il gruppo dell’Università di Cambridge sta lavorando proprio per raggiungere tale obiettivo. «Sappiamo che in natura il processo di trasformazione della luce in energia è estremamente sofisticato e coinvolge elaborate architetture composte da decine, o addirittura centinaia, di molecole», spiega Auras. «Sfortunatamente, non siamo ancora in grado di riprodurre queste architetture estese e attive elettronicamente in laboratorio.»
Tuttavia, questa situazione potrebbe presto cambiare, grazie ai nuovi metodi e strumenti sintetici sviluppati dal progetto EXMOLS. «La comprensione di ciò che rende la fotosintesi così efficiente è fondamentale per costruire dispositivi elettronici più efficienti sotto il profilo energetico», aggiunge Auras. «Questi nuovi metodi e strumenti ci aiuteranno ad acquisire tali conoscenze.»
Ispirati dalla natura
Attingendo alla fotosintesi naturale, il progetto ha sviluppato un metodo per la costruzione di strutture elettroniche con precisione molecolare. Ad esempio, il fotosistema di una pianta impiega substrati proteici per unire le molecole attive e trasformarle in una struttura elettronica funzionale. Imitando questo processo, i ricercatori del progetto EXMOLS hanno sviluppato una tecnica che si avvale del DNA sintetico modificato per assemblare i semiconduttori molecolari fotoattivi.
«Ogni filamento di DNA forma, assieme alla sua sequenza complementare, una struttura a doppia elica unica e perfettamente definita», afferma Jeffrey Gorman, lo specialista di DNA del progetto. «La nostra tecnica utilizza questo stesso assemblaggio altamente prevedibile per generare strutture più grandi e installare semiconduttori in pile perfettamente definite, aumentando così l’efficienza complessiva.»
Una volta acquisita la capacità di controllare con precisione l’assemblaggio dei semiconduttori, i ricercatori si sono poi dedicati alla costruzione di circuiti elettronici attraverso una varietà di molecole diverse, molte delle quali normalmente non si combinerebbero tra loro. Ciò consente loro di progettare nuove nano-architetture con proprietà elettroniche predeterminate.
L’altra importante invenzione scaturita dal progetto è stata la configurazione di una spettroscopia laser ultraveloce che consente di osservare i processi elettronici incredibilmente veloci che hanno luogo a un livello molecolare estremamente piccolo.
Come illustra Auras, grazie alla nuova configurazione della spettroscopia laser, i ricercatori possono utilizzare impulsi laser estremamente brevi per fotoeccitare campioni e acquisire successivamente istantanee degli stati elettronici in momenti diversi. «Ciò ci consente di tenere traccia dell’evoluzione degli stati eccitati con una risoluzione temporale estremamente elevata», osserva.
Verso dispositivi elettronici più efficienti
Quindi, cosa c’entra tutto questo con il nostro televisore?
«Le informazioni acquisite sull’accoppiamento elettronico tra le molecole dei semiconduttori aprono la strada alla creazione di materiali nuovi ed efficienti per i LED impiegati in molti dei nostri dispositivi quotidiani», spiega Auras. «Per il televisore, questo significa creare un pixel blu profondo e luminoso capace di funzionare a bassa tensione e con minore energia.»
Auras afferma inoltre che il lavoro svolto dal progetto potrebbe condurre a pannelli solari più efficienti. «Con l’integrazione delle architetture di semiconduttori di EXMOLS, i pannelli solari potrebbero essere in grado di convertire la luce del sole in uno spettro più favorevole alla cella solare», aggiunge.
Che sia consentendo la creazione di smartphone più efficienti sotto il profilo energetico o sostenendo la diffusione dell’energia solare rinnovabile, le ricerche condotte da EXMOLS stanno guidando il futuro sostenibile concepito all’interno del Green Deal europeo.
«Attingere a questi processi naturali quali la fotosintesi ci consente, come società, di diventare più efficienti sotto il profilo energetico», conclude Auras. «E diventando più efficienti, possiamo proteggere meglio la natura che per prima ci ha illuminati: questa sì che è sostenibilità in azione.»