L’ELETTRICITA’ E I SUOI SEGRETI

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Ott 152017
 

L’elettricità è un fenomeno naturale descrivibile come un flusso di elettroni nella materia. Può essere considerata come una “forma di energia secondaria” (vedi Le Fonti e le Forme di Energia), in quanto ottenuta per trasformazione da altre “fonti primarie” quali sole, acqua, vento o altre.

In realtà l’elettricità, si manifesta anche in natura attraverso i fulmini, ma questi sono fenomeni estemporanei, non prevedibili, repentini e capaci di sviluppare una tale quantità di energia nell’unità di tempo, da non poter essere accumulata. Pur essendo una forma di energia infinita e pulita, i processi di trasformazione necessari per ottenere l’elettricità per la nostra società digitalizzata, sono complessi, costosi ed in molti casi inquinanti.

Ma cos’è realmente l’elettricità?

Per comprenderne il significato, dobbiamo scendere nel profondo della materia e capire come si comportano gli elementi che la compongono: gli atomi.

ATOMO, L’INDIVISIBILE

L’atomo è la più piccola parte della materia, non è visibile ad occhio nudo e il suo nome deriva dal greco e significa indivisibile. Ai tempi della dottrina greca, infatti, l’atomo era considerato la più piccola parte della materia e si supponeva fosse indivisibile, ma studi più recenti fecero comprendere agli scienziati che questo non era l’elemento più piccolo in natura e che in particolari condizioni lo si poteva anche dividere. Infatti, l’atomo, è costituito da particelle subatomiche (ossia più piccole di un atomo) chiamate protoni, neutroni ed elettroni. Protoni e neutroni costituiscono quello che viene definito il nucleo di un atomo, mentre in aree esterne chiamate orbitali, troviamo delle particelle chiamate elettroni.

Schemi di tutti i possibili orbitali

Approfondimento: gli orbitali, sono degli spazi tridimensionali dove è possibile trovare confinati gli elettroni. Infatti questi si spostano non lungo orbite ellittiche come si pensava, ma si allontanano e avvicinano al nucleo ad una velocità prossima alla velocità della luce, per cui è impossibile definire una loro posizione certa in un determinato istante, mentre è possibile individuare l’area (orbitale) nella quale è quasi certo questo si stia muovendo.

Gli elettroni rimangono legati al nucleo di un atomo perché rispondono ad un principio conosciuto come legge di Coulomb. Charles Augustin de Coulomb uno scienziato francese, infatti, dedusse che tra due corpi elettricamente carichi esiste una forza che è attrattiva nel caso in cui le loro cariche siano opposte o repulsiva nel caso in cui possiedano cariche uguali.

Questa differenza di carica spiega il perché gli elettroni rimangano legati al nucleo; infatti i protoni hanno carica positiva, mentre gli elettroni, esterni al nucleo, hanno carica negativa. I neutroni, come dice il loro nome, sono elettricamente neutri, ossia non hanno carica e si trovano nel nucleo legati ai protoni.

Cariche dello stesso segno si respingono

Cariche di segno opposto si attraggono

In condizioni normali, il numero dei protoni e quello degli elettroni è uguale per cui la carica elettrica di un atomo è neutra, ossia non ha carica elettrica.

Riprendendo dall’inizio, ossia da “un flusso di elettroni nella materia“, adesso può apparire più chiaro il significato di elettricità. In generale, gli atomi tendono a restare tali e in equilibrio, ma in alcuni casi, i legami tra gli elettroni e il nucleo sono meno forti. Questo condizione capita quando ci troviamo in un materiale detto conduttore.

I conduttori, ossia i materiali in grado di far passare l’elettricità e in natura, sono i metalli e le soluzioni saline. Nei primi, gli elettroni sono liberi di passare da un atomo all’altro essendo gli unici elementi a potersi spostare, nelle seconde, invece, si spostano direttamente gli atomi che avendo acquisito o perso elettroni diventano delle entità elettricamente cariche che prendono il nome di ioni (positivi o negativi).

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Giu 222017
 

Il cuore, come altri organi importanti del nostro corpo, quando per una molteplicità di cause, smettono di funzionare correttamente, è possibile mantenerli in attività attraverso specifici dispositivi medici. Il limite di questi, sta nel fatto che utilizzano sistemi di alimentazione basati su sostanze non sempre bio-compatibili e che devono sostituire gli accumulatori quando scarichi.

Superconduttore01

I ricercatori dell’Università della California, Los Angeles (UCLA) e dell’Università del Connecticut hanno realizzato un nuovo dispositivo che è totalmente bio-compatibile, sfrutta l’estrema sottigliezza del grafene ed ha carica praticamente inesauribile. Si tratta di una specie di batteria in grado di estrarre energia dal corpo umano e inviarla ad un circuito elettrico utilizzabile da dispositivi medici.

Si tratta di un super-condensatore composto da un elemento chiamato raccoglitore, formato con strati di grafene e proteine umane modificate. Questi si comportano come se fossero gli elettrodi di una pila, capaci di accumulare l’energia dal corpo umano a partire dal movimento e dal calore. In questo modo estraggono cariche elettriche dagli ioni che si trovano nei liquidi che lo compongono, come sangue e urine.

La scelta del grafene è dovuta alla sua estrema sottigliezza. Avendo infatti lo spessore di un solo atomo, è possibile creare dei dispositivi da impiantare sul corpo del paziente, estremamente sottili, anche meno di un capello e conseguentemente estremamente flessibili e adattabili.

Superconduttore03Il super-condensatori, inoltre, possono essere caricati e scaricati molto velocemente, offrendo una maggiore densità e quindi potenza, stabilità nei cicli di ricarica e la possibilità di utilizzare anche fluidi esterni al corpo umano come elettroliti.

I vantaggi di questa soluzione sono molteplici; questo sistema di accumulo, come detto è bio-compatibile, quindi dovrebbe eliminare i problemi di rigetto nei pazienti. Utilizza materiali non tossici, anzi altamente tollerabili dal corpo umano; i cicli di ricarica possono essere infiniti eliminando in questo modo la necessità di ricorrere a interventi per la sostituzione delle batterie.

Vedremo quali saranno le future applicazione di questa scoperta, intanto i ricercatori affermano che la soluzione è già pronta per le realizzazione di alcuni dispositivi bio-medicali, come pacemaker cardiaci.

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Anche in campo elettrico, la ricerca procede a vele spiegate. Nuovi materiali vengono sperimentati ogni giorno nel tentativo di realizzare il conduttore perfetto. Questi nuovi materiali hanno una struttura bidimensionale (silicone, germanene, fosforene) e sono solo alcuni dei nuovi materiali definiti 2D perché con spessore di un solo atomo. Ma ognuno di essi presenta comunque dei limiti; anche se ottimi conduttori, parte dell’energia elettrica che li attraversa viene trasformata in calore a causa delle resistenza opposta al suo passaggio. In pratica questo accade perché gli elettroni nella loro corsa all’interno della materia si scontrano con le altre particelle e in questo sfregamento eccitandole, generano per attrito lo sviluppo di calore. Ma la soluzione a questo problema sembra a portata di mano.

Statene01

Lo statene, materiale anch’esso bidimensionale prodotto a partire dallo stagno, consentirebbe agli elettroni di percorrere la sua superficie senza scontrarsi con altri elettroni o atomi evitando la dispersione di elettricità sotto forma di calore.

Questa proprietà dovrebbe essere possibile in virtù del fatto che lo statene è un isolante topologico, ossia un materiale che si comporta come un isolante elettrico al suo interno e come un conduttore sulla sua superficie. In questo modo gli elettroni non posso attraversare il suo centro ma possono muoversi liberamente sulla sua superficie ossia su di un piano.

In pratica, gli elettroni possono mantenere una direzione coerente e la corrente elettrica non viene dissipata sotto forma di calore perché tutte le impurità dello statene non influiscono su questo moto, non rallentandoli, come avviene negli altri materiali.

Un materiale del genere, si proporrebbe come il candidato ideale per la realizzazione di circuiti elettronici se non fosse per il fatto che i suoi scopritori non hanno ancora dimostrato questa incredibile capacità.

Peide Ye e gli altri ricercatori della Purdue University di West Lafayette in Indiana negli Stati Uniti, stanno ancora lavorando per poter dimostrare questa incredibile capacità dello statene, forse non  ancora dimostrata a causa di un processo di produzione errato che potrebbe aver compromesso le proprietà di isolante topologico.

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