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TECNOLOGIA/ Il futuro degli accumulatori passa attraverso il vetro

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Per ora sono riusciti solo su campioni di piccole dimensioni ma la sfida è lanciata. È quella aperta a seguito dell’interessante risultato raggiunto da un gruppo di ricercatori della Pennsylvania State University e pubblicato sulla rivista internazionale Materials Letters in un articolo che descrive le proprietà di un vetro come materiale isolante in grado di sopportare alti valori di energia elettrica. I ricercatori, che operano presso il Materials Research Institute, hanno preso in esame un vetro di quelli per la comune produzione di massa e, dopo un opportuno trattamento, sono riusciti a misurare il più elevato valore di rigidità dielettrica mai raggiunto finora. La rigidità dielettrica è quel parametro che indica quanta tensione elettrica un isolante può sopportare senza essere attraversato da una scarica elettrica; tale parametro, unitamente alla costante dielettrica, determina quanta energia può essere immagazzinata in un materiale isolante prima che questa sua proprietà venga meno e il materiale diventi conduttore.

L’interesse applicativo di simili materiali è subito evidente: vetri comuni con elevata rigidità e alta costante dielettrica sono candidati ideali per le prossime generazioni di accumulatori di energia elettrica per alimentare in modo efficiente ed ambientalmente vantaggioso le future auto elettriche e le sempre più diffuse apparecchiature elettroniche portatili.

I più alti valori finora registrati di rigidità dielettrica dei vetri rientravano in una gamma tra i 4.000 e i 9.000 volt su centimetro (4-9 MV/cm). I campioni misurati alla Penn State hanno raggiunto i 12 MV/cm; un valore che, abbinato ad una conducibilità relativamente alta, permette di ottenere densità di energia dell’ordine dei 35 Joule su centimetro cubo, ben più alto dei 10 J/cm3 del polipropilene che è il più comune isolante utilizzato in molte delle applicazioni prima indicate. Per conseguire questa performance, i fisici e gli ingegneri del Materials Research Institute sono partiti da campioni di vetro commerciale dello spessore di 50 micron (millesimi di millimetro) che hanno poi inciso con un particolare acido fino a ridurre lo spessore a 10-20 micron. La lamina risultante era così sottile da poterla piegare come si piega una pellicola di plastica ed era così delicata da poterla distruggere tra le dita. Il vantaggio però era che, con un vetro così sottile era più altro il campo elettrico che si poteva applicare prima che il materiale perdesse le sue prerogative isolanti. Il vetro così lavorato è stato poi immerso in un fluido polimerico per il test e gli è stata applicata una tensione elettrica fino a 30.000 volt. Raggiunto, nell’arco di tempo di 40-80 secondi, il punto di breakdown, l’elettricità ha iniziato a scorrere nel vetro improvvisamente, con un lampo e uno scoppio simile a quello di quei fenomeni luminosi atmosferici noti come fulmini globulari. 

Il vetro utilizzato per gli esperimenti è del tipo boro-allumino-silicato di bario senza alcali: un materiale abbondantemente utilizzato nei moderni schermi video e in varie apparecchiature elettroniche. La sua elevata capacità di immagazzinare energia è dovuta sia all’alta polarizzabilità degli atomi di bario, che contribuisce ad aumentare la conducibilità, sia alla composizione priva di alcali, che blocca le perdite di energia. Un altro fattore favorevole è la qualità del vetro, derivante dal particolare processo produttivo che utilizza composti molto puri, specie alla superficie, che rafforza ulteriormente la resistenza alla rottura. Fogli di vetro da 30 micron, che dovrebbero essere disponibili in commercio fra breve, avranno resistenze ancora maggiori, grazie a una superficie più uniforme e senza difetti.

Si profilano quindi interessanti prospettive per i condensatori e per l’accumulo di energia in genere; anche se non vanno trascurati i problemi posti dal passaggio di scala: un conto è trattare con piccoli componenti, altro è pensare ai grandi condensatori di uso commerciale. Ma i tecnici sono fiduciosi di poter trovare nuove soluzioni efficaci.



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