Visualizzazioni: 0 Autore: Editor del sito Orario di pubblicazione: 26/08/2022 Origine: Sito
I nanomateriali al carbonio possono sostituire il silicio nei chip dei computer e cambiare molti altri settori, ma perché sono ancora ai margini della commercializzazione?
Negli ultimi 20 anni sono stati compiuti grandi passi avanti nel campo dei materiali a base di nanocarbonio, composti da singole sostanze di dimensioni comprese tra 1 e 100 nanometri, aprendo un'ampia gamma di possibilità, dai nanocomputer agli impianti medici intelligenti.
Grazie alla loro forza e conduttività uniche, i nanomateriali di carbonio hanno il potenziale per sostituire il silicio nei chip dei computer.
Tuttavia, la commercializzazione di nuovi materiali è molto difficile. Portare i risultati di laboratorio alla produzione su larga scala è un processo lungo e rischioso, simile all’immissione di un nuovo farmaco sul mercato. Gli ostacoli tecnici e gli elevati costi di tempo di laboratorio e di produzione hanno causato il fallimento precoce di molti materiali dirompenti.
Per i nanomateriali di carbonio, i problemi di conduttività e le sfide legate alla produzione fanno sì che i chip per computer basati sui nanomateriali di carbonio potrebbero essere più lontani di quanto inizialmente previsto.
Startup, dipartimenti di ricerca e sviluppo e laboratori universitari stanno attualmente sviluppando e lanciando materiali unici al nanocarbonio.
Nanotubi di grafene e carbonio
A causa delle loro dimensioni ridotte, i nanomateriali hanno proprietà ineguagliabili rispetto ai materiali sfusi convenzionali, tra cui un elevato rapporto resistenza/peso (ovvero elevata resistenza ma leggerezza) ed eccellente connettività elettrica.
I nanomateriali a base di carbonio, in particolare il grafene e i nanotubi di carbonio, hanno mostrato un grande potenziale come alternative a vari materiali industriali.
Il grafene è uno strato di carbonio dello spessore di un singolo atomo disposto in una struttura a nido d'ape.
I nanotubi di carbonio (CNT) sono fogli di grafene disposti in una struttura tubolare.
I nanotubi di carbonio furono scoperti per la prima volta all'inizio degli anni '90, ma il grafene fu isolato solo nel 2004 dagli scienziati dell'Università di Manchester.
Il grafene e i nanotubi di carbonio hanno visto percorsi di sviluppo diversi nel corso degli anni, nonostante le loro proprietà e applicazioni simili.
Il grafene è il materiale più resistente mai misurato. Ha un eccellente rapporto resistenza/peso, conduce elettricità vicino a quello di un superconduttore ed è quasi trasparente. Le industrie, dall'aerospaziale ai semiconduttori alle attrezzature sportive, stanno studiando come utilizzare il grafene per migliorare le prestazioni.
Aerogel di grafene, uno dei materiali più leggeri al mondo
Spinta dall'industria dei semiconduttori, la ricerca relativa ai CNT è diventata più concentrata. IBM ha dedicato risorse significative allo sviluppo di nanotubi di carbonio da utilizzare nei chip dei computer.
Grafene VC 'Riduzione della febbre'
Dal 2007 al 2015, i finanziamenti per le startup del grafene sono aumentati costantemente. Tuttavia, il calo degli accordi e dei finanziamenti del 2016 non è stato completamente recuperato.
Questo declino riflette la tipica perdita di attrattiva nello sviluppo di materiali avanzati, dove la tecnologia si trova quindi intrappolata tra la svolta e la commercializzazione.
Le startup in questo ambito stanno lavorando per sviluppare prodotti specifici in grafene – come batterie, dispositivi medici ed elettronica – o stanno trovando modi per produrre in modo efficiente il materiale per uso generale.
Ad esempio, Vorbeck Materials sta sviluppando inchiostri e rivestimenti a base di grafene per il mercato dell'elettronica stampata. I prodotti in grafene dell'azienda possono essere utilizzati in dispositivi elettronici indossabili, RFID (identificazione a radiofrequenza), sensori e altre applicazioni.
Dal punto di vista della produzione, XG Sciences, che ha ricevuto finanziamenti da Dow Ventures e Samsung Ventures, produce e vende materiali in grafene. Il processo proprietario dell'azienda crea piccole pile di fogli di grafene chiamati 'nanosheets', che vengono utilizzati come additivi per varie applicazioni.
Anche i finanziamenti legati alla CNT sono in calo
Anche le startup stanno sviluppando la tecnologia dei nanotubi di carbonio, anche se poche aziende sono entrate in questo campo.
Anche le startup focalizzate sui nanotubi di carbonio hanno visto un calo dei finanziamenti dopo il 2015, forse per gli stessi motivi per cui sono crollati i finanziamenti per il grafene. Dopo anni di investimenti in ricerca e sviluppo, i nanotubi di carbonio hanno incontrato ostacoli tecnici. 20 anni dopo la loro scoperta iniziale, non sono ancora ampiamente adottati.
Nantero è una delle startup CNT più ambiziose e ben finanziate. L'azienda ha sviluppato NRAM (memoria ad accesso casuale non volatile) utilizzando CNT, che spera sostituirà la DRAM (memoria ad accesso casuale dinamico) e la memoria flash come principali dispositivi di archiviazione dei semiconduttori.
Nantero ritiene che la tecnologia CNT possa essere utilizzata per realizzare chip con densità più elevate rispetto ai materiali semiconduttori convenzionali, aumentando notevolmente la velocità e la memoria.
Nantero ha concesso in licenza la sua tecnologia a Fujitsu, facendo un passo avanti verso la commercializzazione. Tuttavia, gli ostacoli tecnici e di mercato devono ancora essere superati prima che i nanotubi di carbonio possano essere ampiamente utilizzati nell'informatica di fascia alta.
Le aziende preferiscono svolgere attività di ricerca e sviluppo interne piuttosto che iniziare a investire
Tutte le principali aziende di semiconduttori stanno lavorando sul grafene per chip e batterie. Secondo il motore di ricerca brevetti di CBinsights, Samsung è il più grande produttore di semiconduttori con oltre 200 brevetti relativi al grafene. Alla fine del 2017, la società ha annunciato lo sviluppo di materiali per batterie al grafene che possono caricarsi cinque volte più velocemente rispetto alle batterie convenzionali.
I nanotubi di carbonio hanno ricevuto sostanziali investimenti in ricerca e sviluppo da parte dell'industria dei semiconduttori e di grandi aziende tecnologiche. IBM detiene più di 200 brevetti relativi ai nanotubi di carbonio e ha investito molto nello sviluppo del materiale.
Nel campo aerospaziale, il grafene ha mostrato eccellenti proprietà come additivo per materiali compositi come le fibre di carbonio. Uno studio del 2010 del Rensselaer Polytechnic Institute ha scoperto che il grafene supera i nanotubi di carbonio, rendendo i compositi più forti, resistenti e meno soggetti a difetti.
Airbus ha anche investito nella ricerca relativa al grafene e detiene 6 brevetti relativi al grafene.
Le barriere tecniche frenano le applicazioni
Il grafene e i nanotubi di carbonio sono attualmente difficili da trasferire dal laboratorio alla produzione su larga scala e da sfruttare le loro proprietà materiali uniche.
Ad esempio, il grafene conduce l'elettricità meglio del silicio o del rame. Combinata con la sua forza, peso e trasparenza, la conduttività elettrica del grafene consente di sostituire i chip dei computer a base di silicio e migliorare l'elettronica di tutti i giorni.
Ma c'è un problema: il grafene è un semiconduttore 'gapless', il che significa che il flusso di corrente attraverso il materiale non può essere interrotto. I produttori di chip per computer hanno dovuto introdurre un 'gap di banda' nei chip di silicio, che ha consentito agli utenti di spegnere il dispositivo interrompendo il flusso di elettroni. La difficoltà di questo processo è un ostacolo chiave alla commercializzazione.
Per molto tempo, i metodi utilizzati per introdurre band gap nel grafene sono stati inefficienti o hanno modificato il materiale e le proprietà superiori associate sono scomparse.
Nell'aprile 2018, gli scienziati guidati dall'Istituto Catalano di Nanoscienza e Nanotecnologia hanno introdotto un metodo per coltivare materiali di 'grafene' con band gap. Questo passo importante nello sviluppo di chip a base di grafene è avvenuto quasi 15 anni dopo la scoperta iniziale del grafene nel 2004, dimostrando la difficoltà e il tempo necessari per sviluppare nuovi materiali.
I nanotubi di carbonio hanno band gap che li rendono facili da incorporare nei chip dei computer, ma la produzione di massa è una questione cruciale.
Manipolare i miliardi di minuscole strutture nei nanotubi di carbonio è estremamente difficile perché l’orientamento dei nanotubi deve essere controllato per sfruttare le loro proprietà uniche. Prima di un’adozione diffusa, sono necessari metodi di produzione migliorati per fornire nanotubi di carbonio uniformi e privi di difetti.
Barriere di mercato: il silicio rimane importante nel settore informatico
Le barriere di mercato all’adozione dei nanomateriali di carbonio potrebbero essere più impegnative delle sfide tecniche. I nuovi materiali devono affrontare scetticismo e stagnazione mentre cercano di adattarsi alle catene di approvvigionamento esistenti.
Amanda Barnard, fisica responsabile dell'Organizzazione australiana per la ricerca scientifica e industriale, ha dichiarato in un'intervista nel 2014: 'Abbiamo già ricevuto trilioni di dollari in investimenti da chip di silicio globali e non abbandoneremo questo settore redditizio. '
Stabilimento di produzione di semiconduttori Samsung da 3,5 miliardi di dollari, Austin, Texas, USA
Gli operatori esistenti miglioreranno i prodotti esistenti o ignoreranno i nuovi materiali prima di rinunciare a continuare a investire. È probabile che la sostituzione completa dei materiali esistenti con il grafene richieda molto tempo per ottenere applicazioni sinergiche con materiali come il silicio.
Un altro ostacolo è la standardizzazione. Una recente revisione di 60 prodotti di grafene da parte del Graphene Council ha rivelato che oltre il 75% non aveva alcuna proprietà del materiale. È necessario introdurre la standardizzazione se i produttori vogliono vendere il grafene in modo efficace.
Inoltre, se si vuole aggiornare il materiale come sostituto, il prezzo del grafene dovrà crollare. Oggi il grafene è scarso e costoso, ma deve essere trasformato in un materiale simile a quello di base per diventare una valida alternativa ai semiconduttori a base di silicio.
Una volta che ciò accadrà, le startup focalizzate sul grafene potrebbero non essere in grado di competere sul prezzo. Le startup più piccole potrebbero cessare l’attività o affrontare acquisizioni da parte di produttori di semiconduttori come aziende di materiali come Dow Chemical che potrebbero voler aumentare la capacità di grafene.
