Nervo artificiale cellule, impianti elettronicieconomico celle solari e nuovi tipi di diodi sono tutti esempi di scienza dei materiali condotti all’Università di Linköping.
Igor Abrikosov, professore di fisica teorica, è convinto che la ricerca e lo sviluppo di nuovi materiali sia una chiave importante per un futuro sostenibile.
Un processore su una scheda madre – foto illustrativa. Credito immagine: Pixabay (licenza gratuita Pixabay)
“Se guardi ai diciassette obiettivi di sostenibilità delle Nazioni Unite non vedi i materiali menzionati esplicitamente. Ma se guardi più in profondità, i materiali possono essere la soluzione praticamente per ognuno di questi obiettivi”, afferma Igor Abrikosov.
È direttore dell’area di ricerca strategica Advanced Functional Materials (AFM; il risultato del disegno di legge di ricerca del governo svedese incentrato sulla scienza dei materiali) che ha come ospite l’Università di Linköping. L’ambizione di AFM è di accelerare lo sviluppo dei materiali sia per applicazioni commerciali che come base per la ricerca futura.
Ma cominciamo dall’inizio.
Igor Abrikosov è professore di fisica teorica e direttore dell’area di ricerca strategica Advanced Functional Materials presso l’Università di Linköping. La sua ricerca si concentra sullo sviluppo di nuovi materiali in teoria, e ciò richiede molta potenza di calcolo, qualcosa che i supercomputer come Berzelius possono fornire. Credito immagine: Magnus Johansson / Università di Linköping
Il primo materiale a cui noi umani sembriamo interessarci è la pietra. Almeno questo è ciò che resta dei primi esseri umani negli scavi archeologici. Attraverso l’uso dei materiali, noi umani abbiamo scoperto nuovi modi per alterare ciò che ci circonda per adattarci meglio a noi.
“La scienza dei materiali è importante nell’intera storia dell’umanità. Se ricordi le tue lezioni di scuola elementare, abbiamo l’età della pietra, l’età del bronzo e così via. Questo indica l’importanza dei materiali”, afferma Igor Abrikosov.
Ascia di pietra al telefono cellulare
Quasi tutti i salti nella storia dell’umanità, dalla prima ascia di pietra alla rivoluzione industriale fino al cellulare connesso, hanno a che fare con i materiali. C’è una linea, con i materiali come denominatore comune, dai primi umani a caccia di mammut a te che leggi questo articolo su carta stampata in digitale.
I neuroni artificiali sviluppati con il supporto di AFM sono basati su transistor chimici. Credito immagine: Thor Balkhed / LiU
Tuttavia, lo sviluppo di un nuovo materiale è un processo lento. Quindi, anche se il progresso è stato esponenziale dall’età della pietra, ci vogliono, nella migliore delle ipotesi, vent’anni per sviluppare oggi un nuovo materiale funzionale.
Tradizionalmente, la scienza dei materiali si basa su un approccio per tentativi ed errori, chiamato anche approccio edisoniano, in cui si testa un vasto numero di combinazioni di elementi in laboratorio prima di raggiungere il risultato desiderato.
Ma i ricercatori dell’AFM adottano un approccio diverso. Il loro obiettivo è cambiare il processo dalla ricerca fondamentale all’applicazione.
“Se riusciamo a passare da questo approccio basato su prove ed errori a quello che chiamiamo un design basato sulla conoscenza, possiamo ridurre significativamente il periodo di sviluppo. Da vent’anni a forse quattro o cinque. Quindi sarà anche possibile realizzare materiali su richiesta. Questo sarà un punto di svolta”, afferma Igor Abrikosov.
Igor Abrikosov, professore di fisica teorica presso il Dipartimento di Fisica, Chimica e Biologia presso LiU. Credito immagine: Magnus Johansson / Università di Linköping
Conoscenza cumulata
Oggi, quando un ingegnere ha bisogno di un nuovo materiale, va a un catalogo di materiali esistenti e sceglie. Il materiale scelto potrebbe non essere ancora ottimale per l’applicazione, ma è il più vicino possibile in questo momento.
In futuro, tuttavia, Igor Abrikosov immagina uno scenario in cui gli ingegneri possono ordinare su richiesta un materiale con determinate proprietà che meglio si adattano ai requisiti dell’applicazione.
Crede che il grande fattore abilitante di questo sviluppo accelerato sia una massa critica di conoscenza. E all’interno di AFM la conoscenza non manca.
Efficienti diodi a emissione di luce blu basati su perovskiti agli alogenuri possono aprire la strada a un’illuminazione economica ed efficiente dal punto di vista energetico. Credito immagine: Thor Balkhed / LiU
Circa centocinquanta ricercatori provenienti da diversi campi sono collegati all’area di ricerca, che fornisce una base per lo sviluppo di nuove idee. In combinazione con nuovi strumenti come l’intelligenza artificiale, l’apprendimento automatico e le simulazioni teoriche, ciò consentirà ai ricercatori di scansionare molti più materiali possibili prima di entrare in laboratorio e realizzare effettivamente il materiale.
“L’universo materiale è praticamente inesplorato finora. Ci sono molte cose che possono e devono essere trovate”, afferma Igor Abrikosov.
Conserva tutti i tipi di ricerca
La ricerca condotta in AFM spazia dalla ricerca applicata che potrebbe essere vista sul mercato tra qualche anno, fino alla ricerca più fondamentale che esplora i limiti della fisica e della chimica, ma che al momento non ha alcuna utilità apparente.
Un esempio di ciò è uno studio recentemente pubblicato su Nature Chemistry a cui i ricercatori dell’AFM hanno dato un contributo significativo.
Il sensore a transistor elettrochimico organico impiantabile può monitorare il benessere delle piante senza danneggiarle. Credito immagine: Thor Balkhed / LiU
Secondo Igor Abrikosov, la scoperta di un anione aromatico di azoto in composti molto complessi di potassio-azoto sintetizzati ad alta pressione, è una scoperta rivoluzionaria. Sebbene non abbia applicazioni apparenti immediate, qualcosa che prima si pensava impossibile si dimostra possibile.
Questo apre a nuove conoscenze e nuove prospettive e potrebbe essere molto importante per future applicazioni in medicina o ingegneria chimica.
“È molto importante capire che dobbiamo preservare tutti i livelli di ricerca, fondamentali, strategici e applicati. Si pensi alle scoperte fatte a metà del secolo scorso come l’utilizzo del silicio. Senza di esso, sarebbe impossibile avere la tecnologia che abbiamo oggi”, afferma.
“L’universo materiale è praticamente inesplorato finora. Ci sono molte cose che possono e devono essere trovate”, afferma Igor Abrikosov. Credito immagine: Magnus Johansson / Università di Linköping
Necessario ovunque
Inoltre, la scienza dei materiali è una piattaforma per altre aree di ricerca. Ad esempio, le missioni spaziali non sarebbero possibili senza materiali avanzati. E il campo medico ha un grande bisogno di nuovi materiali: se vuoi impianti migliori devi trovare materiali che imitano le ossa, se vuoi immagini MRI migliori hai bisogno di agenti di contrasto migliori e così via.
Nel settore, è necessario trovare materiali di rivestimento più duri e affilati per gli utensili da taglio. E nei computer quantistici, avrai bisogno di materiali in grado di ospitare bit quantistici.
I materiali possono anche essere usati come modelli per studiare la cosmologia e le proprietà fondamentali del nostro universo nel palmo della tua mano.
Tutto questo combinato può aiutarci a capire il nostro mondo così com’è oggi e le azioni necessarie per trarne il meglio. Igor Abrikosov è convinto:
“La scienza dei materiali è la chiave per un futuro sostenibile. Senza di esso, non saremmo neanche lontanamente vicini a dove siamo oggi”.
IL menzionato articolo: Esazina aromatica [N6]4− anione presente nella complessa struttura del composto azotato di potassio ad alta pressione K9N56. Dominique Laniel, Florian Trybel, Yuqing Yin, Timofey Fedotenko, Saiana Khandarkhaeva, Andrey Aslandukov, Georgios Aprilis, Alexei I. Abrikosov, Talha Bin Masood, Carlotta Giacobbe, Eleanor Lawrence Bright, Konstantin Glazyrin, Michael Hanfland, Jonathan Wright, Ingrid Hotz, Igor A. Abrikosov, Leonid Dubrovinsky, Natalia Dubrovinskaia. Chimica della natura (2023) DOI: 10.1038/s41557-023-01148-7
Scritto da Anders Torneholm
Fonte: Università di Linkoping
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
