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Un cristallo cubico trasformativo per la raccolta della luce

Il metilammonio piombo ioduro si rivela promettente per produrre migliori celle solari, computer a onde luminose, immaginografia a raggi X più sicura, rilevatori di radiazioni altamente sensibili e molto altro.

Ricerca di base

Il metilammonio piombo ioduro è un cristallo di perovskite che interagisce fortemente con la luce, prestandosi ad un potenziale uso nelle celle solari e nei diodi a emissione luminosa (LED). Il progetto PICOPROP, finanziato dall’UE, si prefigge di analizzare ulteriormente questo materiale. «È davvero ottimo per il fotovoltaico», spiega il coordinatore del progetto, László Forró. «Quando vengono esposti alla luce solare, i fotoelettroni prodotti vivono a lungo.» Ciò consente la raccolta di alte concentrazioni di fotoelettroni dal cristallo e la conseguente realizzazione di celle solari con rendimenti fino al 25 %. La tendenza dei fotoelettroni a persistere per un lungo periodo nel cristallo ha indotto Forró a ipotizzare che sia possibile dare ai cristalli proprietà superconduttive a temperature relativamente elevate. «Questo è per noi il fine ultimo, in quanto ci consentirebbe di trasmettere l’elettricità con zero perdite», osserva. Un secondo filone della ricerca, condotta presso la Scuola politecnica federale di Losanna, ha cercato di scoprire se eventuali impulsi luminosi possano consentire ai ricercatori di modulare le proprietà magnetiche del materiale. Ciò offrirebbe una maniera economica per conservare dati all’interno di computer ottici che utilizzano i fotoni anziché gli elettroni per alterare i bit. «Dato che possiamo produrre moltissimi fotoelettroni, ci siamo chiesti se fosse possibile modificare la struttura magnetica, e la risposta è stata affermativa», aggiunge Forró. «Abbiamo magnificamente dimostrato questa possibilità e, da allora, diverse grandi aziende hanno mostrato interesse per la nostra ricerca.»

Rilevatori ad alta sensibilità

La capacità di generare grandi quantità di elettroni mediante esposizione alla luce significa che il metilammonio piombo ioduro si presta bene anche per altre applicazioni. Inducendo il materiale a crescere in nanofili, e attaccando questi ultimi a fogli di grafene, Forró e i suoi colleghi sono stati in grado di costruire un rilevatore di luce abbastanza sensibile da rilevare anche un solo fotone. Tale sensibilità potrebbe rendere il materiale composito estremamente utile in applicazioni quali l’immaginografia medica. «Essendo così facile rilevare i fotoni, tramite la semplice misurazione della corrente di fotoelettroni, intendiamo presentare uno scanner a raggi X che utilizza un flusso bassissimo di tali raggi», afferma Forró. «La dose di radiazioni necessaria per produrre immagini di qualità altrettanto elevata si riduce di diecimila volte.» Il metilammonio piombo ioduro potrebbe anche sostituire i costosi e relativamente insensibili cristalli di germanio che vengono utilizzati nei rilevatori di raggi gamma. «Per fare ciò occorre un cristallo grande, dato che i fotoni gamma sono molto potenti e possono penetrare molti materiali», osserva Forró. «Perciò abbiamo studiato come far crescere questi cristalli fino a raggiungere i 3,8 kg, l’equivalente del peso di un neonato!» Due dei ricercatori del progetto PICOPROP stanno ora lavorando ad un progetto commerciale parallelo per produrre tali cristalli.

Sicurezza ambientale

La sfida maggiore per la commercializzazione del metilammonio piombo ioduro riguarda la gestione della sua tossicità. «Non sono nuovo in questo campo», afferma Forró. «Ho immediatamente assunto un biologo che si occupava dei pericoli per la salute legati a questo materiale.» Insieme, il team ha scoperto un modo per combinare la perovskite con il fosfato. Qualora un dispositivo dovesse rompersi e venire sommerso dall’acqua, il fosfato reagisce con il piombo immobilizzandolo e impedendo la fuoriuscita di sostanze tossiche. Alla fine Forró non è stato in grado di produrre una superconduttività stabile nel metilammonio piombo ioduro, ma il ricercatore non si è perso d’animo. «Per realizzare nuove scoperte è necessario sognare», aggiunge. Diversi rami del progetto sono attualmente in fase di studio ai fini della commercializzazione, incluso il rilevatore a raggi X, che ha ottenuto una sovvenzione dell’UE per la prova di concetto. Avendo raggiunto l’età pensionabile in Svizzera, Forró si trasferirà negli Stati Uniti per aprire un laboratorio di materiali quantistici. Il ricercatore conclude: «Ho ancora tante idee e molta energia.»

Parole chiave

PICOPROP, metilammonio piombo ioduro, fotovoltaico, raggi X, gamma, rilevatore, fotone singolo, ottico, perovskite, neonato

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