Il confinamento apre la via all’innovazione nella nanofluidica
I materiali in nanoscala presentano proprietà esotiche che non si riscontrano nelle forme sfuse degli stessi materiali, in parte a causa delle proprie aree superficiali molto elevate rispetto ai loro volumi. Molte applicazioni fanno leva su questo aspetto, sfruttando le proprietà elettriche, chimiche, ottiche e magnetiche uniche dei nanomateriali principalmente solidi. Il progetto NanoSOFT, finanziato dall’UE, ha sfruttato gli effetti quantistici che emergono dal trasporto di fluidi su scala nanometrica confinati in materiali allo stato solido. I suoi risultati pionieristici sfidano la nostra attuale comprensione del trasporto dei fluidi su scala nanometrica e aprono la strada a una nuova era di innovazione.
Una configurazione rivoluzionaria per testare le previsioni teoriche
Il trasporto dei fluidi su scala nanometrica viene studiato indirettamente da oltre 50 anni. Gli esempi in natura abbondano, dal modo in cui le piante assorbono e distribuiscono l’acqua e le sostanze nutritive alla cinetica che regola il flusso di ioni attraverso i canali della membrana cellulare durante la neurotrasmissione. Solo negli ultimi due decenni la nanofluidica è emersa come un importante settore a sé stante. Il superamento di un livello critico di confinamento su scala molecolare può dare origine a effetti non classici o quantistici che possono influire significativamente sul trasporto dei fluidi. Finora non esistevano apparecchiature sperimentali per verificare le previsioni teoriche e la validità dei modelli. «Il mio dispositivo a nanotubi transmembrana e trans-pipetta è l’unica configurazione per indagare il trasporto di fluidi e ioni attraverso singoli nanotubi di materiali diversi, in presenza di forzature diverse come la caduta di tensione, la caduta di pressione, il gradiente di concentrazione e combinazioni di questi elementi. La mia configurazione ottica spinge la risoluzione della misurazione del flusso a tre ordini di grandezza in meno rispetto al precedente stato dell’arte», spiega il coordinatore di NanoSOFT Alessandro Siria del Centro nazionale francese per la ricerca scientifica e dell’École normale supérieure.
Rivedere l’energia osmotica
La nanofluidica potrebbe svolgere un ruolo significativo nel nostro futuro energetico più pulito ed ecologico. Una delle forme di energia rinnovabile meno conosciute e più pulite è l’acqua salata o, più precisamente, i fluidi di diversa salinità. È noto da tempo che un fiume che sfocia in un oceano salato rilascia energia sotto forma di calore. Sfruttare la potenza dell’osmosi consentirebbe un approvvigionamento energetico sicuro e senza emissioni, indipendente dalle condizioni geopolitiche. Diversi concetti sono in fase di sviluppo e le stime indicano che si potrebbe generare l’energia equivalente a 1 000 reattori nucleari sfruttando l’energia osmotica. Tuttavia, la tecnologia per la sua conversione in elettricità ha incontrato difficoltà nel raggiungere l’efficienza necessaria per produrre energia su larga scala. I risultati di NanoSOFT hanno dimostrato che la natura non classica e quantistica dei materiali di confinamento può influenzare in modo significativo il trasporto dei fluidi e i fenomeni che ne derivano possono essere sfruttati a nostro vantaggio. «Abbiamo convertito l’energia osmotica con un’efficienza da due a tre ordini di grandezza superiore all’attuale stato dell’arte. La nostra start-up, Sweetch Energy, si baserà su questo allo scopo di commercializzare una nuova classe di membrane nanofluidiche per la conversione osmotica dell’energia», afferma Siria. Il lavoro continuo in questo campo è integrato dai test sugli approcci nanofluidici che possono essere sfruttati in nuove tecnologie per la purificazione e la desalinizzazione dell’acqua. Seguendo il motto che «nella botte piccola sta il vino buono», NanoSOFT si rivolge al mondo del piccolo per affrontare alcune delle più grandi sfide del mondo nei settori dell’energia e dell’acqua.
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