“Con il sistema mondiale di trasmissione wireless di Tesla, chiunque avrebbe potuto rifornirsi di energia semplicemente piantando un’antenna in giardino.”
— Marco Pizzuti
I nanotubi di carbonio rappresentano una scoperta rivoluzionaria nel campo dell’immagazzinamento dell’energia. Questi straordinari serbatoi di energia sono stati oggetto di studio e ricerca intensiva negli ultimi anni, rivelando molteplici applicazioni in vari settori. La loro elasticità e resistenza li rendono adatti a svolgere ruoli cruciali nella produzione e accumulo energetico. Inoltre, l’energia meccanica si presenta come una nuova frontiera nell’accumulo energetico, aprendo interessanti prospettive per il futuro. Le corde attorcigliate di nanotubi di carbonio rappresentano un’innovativa soluzione che potrebbe cambiare radicalmente il modo in cui immagazziniamo e utilizziamo l’energia.
La scoperta dei nanotubi di carbonio come straordinario serbatoio di energia
La scoperta dei nanotubi di carbonio come straordinario serbatoio di energia ha rivoluzionato il settore dell’immagazzinamento energetico. Queste strutture cilindriche, composte interamente da atomi di carbonio, sono estremamente leggere e allo stesso tempo incredibilmente resistenti. La loro struttura unica permette di immagazzinare grandi quantità di energia meccanica, rendendoli ideali per applicazioni in campo energetico. I nanotubi di carbonio possono essere utilizzati per creare batterie ad alta capacità, capaci di immagazzinare energia per lunghi periodi senza perdite significative. Inoltre, la loro elevata resistenza permette loro di sopportare sollecitazioni meccaniche intense senza subire danni strutturali. Questa scoperta apre nuove possibilità nel campo dell’energia rinnovabile e dell’elettronica, consentendo lo sviluppo di dispositivi più efficienti ed eco-sostenibili.
a, intervalli di accumulo di energia e densità di potenza dei comuni mezzi di accumulo di energia. Le aree tratteggiate (LIB, TNT esplosivo e combustibile fossile) identificano vettori potenzialmente pericolosi di energia elettrochimica o chimica che possono prendere fuoco o esplodere in ambienti ostili. A differenza di altri vettori energetici, il rilascio di quantità record di energia immagazzinata nei legami chimici dei combustibili fossili e degli esplosivi è irreversibile. ★, densità di potenza dell'esplosivo TNT, ∼6,2 × 1011 W kg-1. Abbiamo distinto graficamente i supporti di stoccaggio non ciclabili da quelli ciclabili e abbiamo identificato i potenziali rischi per la sicurezza. b, Morfologia schematica di una corda di SWCNT attorcigliata (a sinistra) e di un singolo filamento costituente (a destra). c, Micrografia al SEM di una corda di SWCNT attorcigliata. d, Dipendenza dalla temperatura del GED massimo di una corda di SWCNT attorcigliata a una deformazione torsionale ε ≈ 0,6. La GED massima è stata normalizzata rispetto alla GED a 25 °C. I singoli punti dati sono rappresentati come quadrati pieni neri; i dati sono presentati come media ± s.d. per n = 3 campioni di fune a Y (TPU). Durante una misurazione continua, ogni campione di corda è stato prima riscaldato da 298 K ad alta temperatura e successivamente raffreddato a bassa temperatura. A ciascuna temperatura sono stati eseguiti tre cicli consecutivi di torsione/rilascio. La linea arancione tratteggiata indica che, all'interno delle barre di errore, il GED è piuttosto indipendente dalla temperatura. e, Stabilità al ciclo di una corda a Y (TPU) durante 100 cicli consecutivi di torsione/rilascio. Il GED normalizzato è misurato fino a una deformazione torsionale massima ε = 0,6 a una frequenza di rotazione di 110 giri/min. La dipendenza temporale della GED durante i primi cicli è mostrata nell'inserto. I singoli punti dati sono rappresentati come quadrati solidi rossi; i dati sono presentati come media ± s.d. per n = 3 campioni di y-rope (TPU). Inserti: Micrografie SEM di y-rope (TPU) dopo i primi cicli di precondizionamento e dopo 100 cicli di torsione/rilascio.
Le molteplici applicazioni dei nanotubi di grafene
I nanotubi di grafene, grazie alle loro proprietà uniche, trovano molteplici applicazioni in diversi settori. Una delle principali applicazioni è nel campo dell’elettronica, dove i nanotubi di grafene possono essere utilizzati per creare dispositivi elettronici ultra-sottili e flessibili. Questi nanotubi possono essere impiegati anche nella produzione di schermi flessibili per dispositivi come smartphone e tablet. Inoltre, i nanotubi di grafene sono molto promettenti nel settore dell’energia, dove possono essere utilizzati per la produzione di batterie ad alta capacità e di supercondensatori. Grazie alla loro elevata conducibilità elettrica e termica, i nanotubi di grafene possono anche essere utilizzati per migliorare le prestazioni dei pannelli solari e delle celle a combustibile. Infine, questi nanotubi trovano applicazione anche nel campo della medicina, dove vengono studiati per la somministrazione mirata di farmaci e per la diagnosi precoce di malattie come il cancro.
L’elasticità e la resistenza dei nanotubi di carbonio
I nanotubi di carbonio sono noti per la loro eccezionale elasticità e resistenza, caratteristiche che li rendono ideali per molteplici applicazioni. Grazie alla loro struttura tubolare, i nanotubi di carbonio possono deformarsi senza rompersi, tornando poi alla loro forma originale una volta cessata la forza applicata. Questa proprietà di elasticità permette ai nanotubi di carbonio di sopportare elevate pressioni e sollecitazioni meccaniche senza subire danni permanenti. Inoltre, i nanotubi di carbonio sono incredibilmente resistenti, con una resistenza superiore a quella dell’acciaio, pur avendo un peso molto inferiore. Questa combinazione di elasticità e resistenza li rende estremamente promettenti per l’industria aerospaziale, automobilistica e delle costruzioni, dove possono essere utilizzati per migliorare la performance e la sicurezza dei materiali. L’elasticità e la resistenza dei nanotubi di carbonio aprono nuove prospettive nell’ambito dell’immagazzinamento dell’energia, offrendo possibilità innovative per lo sviluppo di dispositivi più efficienti ed affidabili.
a, GED comparativa dei campioni di fune a Y e di fune a Y modificata in relazione alla loro tenacità. I dati sono presentati come media ± s.d. per n = 3 campioni di corda per ciascun tipo. La y-rope incontaminata, caratterizzata da una minore tenacità, è associata al GED più basso, mentre la y-rope (TPU) mostra il GED più alto. b, GED comparativo dei campioni di y-rope e di y-rope modificata rispetto alla loro densità lineare. La densità lineare mostra una correlazione inversa con il GED, in quanto le corde fabbricate mostrano una diminuzione del GED con l'aumento della loro densità lineare.
L’energia meccanica: una nuova frontiera nell’accumulo energetico
L’energia meccanica rappresenta una nuova frontiera nell’accumulo energetico e i nanotubi di carbonio potrebbero svolgere un ruolo chiave in questo ambito. La capacità dei nanotubi di carbonio di resistere a forti tensioni e deformazioni li rende ideali per immagazzinare energia meccanica. Attraverso l’applicazione di forze esterne, come la compressione o la torsione, i nanotubi possono accumulare energia nel loro reticolo cristallino. Una volta rilasciata, questa energia può essere convertita in altre forme utilizzabili, come l’elettricità. Questa proprietà apre nuove possibilità per lo sviluppo di dispositivi che sfruttano l’energia meccanica accumulata nei nanotubi di carbonio. Ad esempio, potrebbero essere realizzati sistemi di accumulo energetico che sfruttano l’energia cinetica o vibrazionale per alimentare dispositivi portatili o veicoli elettrici. L’energia meccanica rappresenta quindi una promettente frontiera nell’ambito dell’accumulo energetico, con i nanotubi di carbonio pronti a rivoluzionare questa tecnologia.
Il futuro delle corde attorcigliate di nanotubi di carbonio
Il futuro delle corde attorcigliate di nanotubi di carbonio è estremamente promettente nell’ambito dell’accumulo energetico. Queste corde, composte da nanotubi di carbonio intrecciati insieme, possono immagazzinare e rilasciare energia meccanica in modo efficiente. Grazie alla loro struttura unica, le corde di nanotubi di carbonio possono essere tese o allentate per accumulare o rilasciare energia. Questa tecnologia potrebbe rivoluzionare settori come l’industria automobilistica, l’aerospaziale e l’elettronica. Ad esempio, le corde attorcigliate potrebbero essere utilizzate per creare dispositivi di accumulo energetico ad alta densità, come batterie meccaniche avanzate, che potrebbero alimentare veicoli elettrici con maggiore autonomia e prestazioni. Inoltre, queste corde potrebbero essere integrate nei tessuti intelligenti per fornire energia ai dispositivi indossabili. Il futuro delle corde attorcigliate di nanotubi di carbonio si prospetta quindi come una soluzione innovativa per l’accumulo e l’utilizzo efficiente dell’energia.
a, Intensità normalizzata della banda G dei campioni incontaminati di SWCNT e di y-rope (TPU) in funzione di θ, l'angolo tra la direzione di polarizzazione della luce e l'asse lungo degli SWCNT. Le intensità in banda G sono normalizzate rispetto all'intensità a θ = 0°. Qui, la corda y (TPU) è stata analizzata prima della torsione per comprendere l'evoluzione delle orientazioni durante il processo di fabbricazione della corda. Inquadratura: illustrazione schematica dell'angolo tra la direzione di polarizzazione e l'asse della corda di SWCNT. I dati sono presentati come media ± s.d. per n = 3 campioni per ciascun tipo. b,c, micrografie SEM delle corde y (TPU) prima (b) e dopo 50 cicli di torsione/non torsione (c).
Utsumi, S., Ujjain, S.K., Takahashi, S. et al. Giant nanomechanical energy storage capacity in twisted single-walled carbon nanotube ropes. Nat. Nanotechnol. 19, 1007–1015 (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01645-x
In conclusione…
Le scoperte e le potenziali applicazioni dei nanotubi di carbonio come serbatoi di energia hanno aperto nuove prospettive per l’accumulo energetico. La loro elasticità e resistenza li rendono ideali per molteplici settori, dalla produzione di batterie agli impianti di stoccaggio dell’energia meccanica. Tuttavia, nonostante i progressi fatti finora, c’è ancora molto da scoprire su questi straordinari materiali. Le corde attorcigliate di nanotubi di carbonio rappresentano un’interessante direzione di ricerca, ma quale sarà il loro ruolo nel futuro dell’energia? Come saranno implementate e quali saranno le loro limitazioni? Sono domande che richiedono ulteriori indagini e studio. Mentre la rivoluzione nell’immagazzinamento dell’energia continua a evolversi, rimane aperta la possibilità di nuove scoperte che potrebbero cambiare il nostro modo di accumulare e utilizzare l’energia.
