Nuovi materiali polimerici per l’elettronica e le Tlc

Qualunque cosa che semplifichi l’uso del linguaggio digitale, ne diminuisca i costi e aumenti il volume di informazioni trasmissibili per unità di tempo è senz’altro determinante per “svoltare l’angolo”.

Il silicio e i metalli con cui sono fatti i microchip stanno per arrivare al loro limite; occorre trovare nuovi sistemi affinché le Ict possano liberare tutte le loro potenzialità. E questa prossima frontiera si chiama “nuovi materiali organici”, cioè lo studio e la realizzazione di nuovi componenti plastici che aiutino l’elettronica, l’ottica e le tecnologia dell’informazione a superare i limiti di oggi.

Per molti anni, in tutti i settori dell’elettronica, i progettisti dovevano “fare i conti” con i relativamente pochi materiali a loro disposizione. Materiali che erano lavorabili, ma non snaturabili: ovvero se per costruire cavi telefonici scelgo il rame, mio compito sarà quello di utilizzare al meglio tutti i suoi pregi (le caratteristiche di conducibilità elettrica, la flessibilità, il basso costo, la facilità di fare delle giunte quando si spezza il cavo…). Ma non potrò pretendere dal rame quello che il rame non può fare. Con i polimeri organici è tutto diverso: posso mettermi a tavolino e, noti i requisiti del prodotto finale, progettare da zero il materiale, combinando atomi e molecole secondo obiettivi precisi.

“Si tratta di una semplificazione, che riesce a cogliere abbastanza bene il senso del mio lavoro” spiega Jean-Luc Brédas, chimico belga, docente all’Università di Mons-Hainaut e attualmente in forze presso la Arizona University, che ha di recente ottenuto il Premio Italgas. “Le mie ricerche hanno una natura prevalentemente teorica e il mio obiettivo è cercare di capire come realizzare nuovi materiali che abbiano caratteristiche migliori da sfruttare nel mondo dell’elettronica e delle telecomunicazioni”.

Le molecole organiche, ovvero molecole in cui è presente il carbonio, elemento molto versatile sia per la stabilità dei legami, sono sempre più interessanti per la possibilità di creare isomeri, cioè molecole che, pur avendo la medesima formula chimica hanno una diversa collocazione spaziale degli elementi coinvolti. Negli isomeri gli atomi si divertono a “giocare ai 4 cantoni”: sono sempre gli stessi per tipologia e quantità ma la loro diversa posizione all’interno della molecola produce risultati incredibilmente differenti; pensate alla differenza che passa tra il diamante e la grafite, eppure sempre di carbonio si tratta.

Quando negli anni Ottanta per la prima volta ci si è resi conto che in un polimero si potevano avere contemporaneamente avere sia le caratteristiche meccaniche proprie della plastica sia le caratteristiche elettriche dei metalli e altri conduttori, per i chimici si è aperto un “nuovo mondo” e immediatamente cominciarono gli studi per comprendere le proprietà di questi “polimeri conduttori” in modo da verificare se fosse possibile progettare nuovi materiali con performance migliori dal punto di vista della conducibilità dei vari metalli in uso.

“Anche perché il bello delle molecole organiche è che si possono “costruire a tavolino” facendo un calcolo della struttura elettronica – spiega Brédas -. Che è esattamente quello che faccio io: conoscere la struttura elettronica del materiali per poter progettare con estrema precisione le molecole in funzione del compito che dovranno assolvere. É un campo di ricerca molto interessante perché ci si occupa di scienza “basic” e nello stesso tempo si è intensamente coinvolti nelle applicazioni future. A me è sempre piaciuto il lavoro teorico e mi è sempre piaciuto fare il design molecolare che poi altri avrebbero seguito nella sintesi di nuovi materiali. Ovviamente io non invento nulla: mi limito a ascoltare le esigenze dell’industria e, conoscendo le caratteristiche delle molecole organiche, provo a creare dei composti che soddisfino tali esigenze”.

Dal punto di vista industriale, negli ultimi mesi alcune industrie hanno introdotto sul mercato oggetti che sfruttano le prime applicazioni di tali ricerche, combinando e riunendo in un unico materiale la conduttività elettrica con la flessibilità del supporto. Per esempio, i tecnici della Agfa-Gevaert che per lungo tempo hanno cercato nuove metodiche per dissipare le cariche elettrostatiche che si accumulano sulle pellicole e che deteriorano a lungo andare le immagini (quelle “graffiature” che si vedono sui film molto vecchi sono dovute proprio al rilascio di questi accumuli elettrostatici). Hanno allora studiato un polimero conduttivo da “spalmare” sulle pellicole (uno strato sottilissimo e trasparente che non inficiasse la capacità chimiche della pellicola di catturare immagini) con l’obiettivo di prevenire l’accumulo di cariche elettrostatiche.

“Dal punto di vista del mondo Ict – prosegue Brédas – gli esperimenti sui polimeri che emettono luce effettuati negli ultimi 2-3 anni apre veramente un enorme possibilità di applicazioni in termini di display flessibili: pensate alla comodità di avere telefoni con lo schermo parzialmente pieghevole. Si possono poi progettare (e alcune industrie di elettronica ci stanno arrivando) transistor in plastica molto economici, chip in plastica che possono essere utilizzati, ad esempio, al posto delle etichette e dei codici a barre e che potranno contenere molte più informazione sull’origine e sulle caratteristiche di ciò che si sta acquistando”.

Inoltre si potranno realizzare bracciali-televisori con un segnale video chiaro e luminoso, così come si potranno migliorare i display da montare negli schienali di auto, treni, aerei: saranno economici, flessibili e non avranno quei problemi di luminosità che affliggono oggi i monitor a cristalli liquidi (quando c’è il sole non si riesce a leggere lo schermo). Altre applicazioni più “tangibili” dall’uomo della strada riguarderanno, per esempio, le celle fotovoltaiche per la produzione di elettricità.

Al momento attuale i polimeri inorganici a base di silicio semiconduttore sono efficienti ma ancora troppo costosi, dunque utilizzare plastica e altri materiali flessibili organici può innanzitutto ridurre i costi di produzione e immettere sul mercato celle solari con prezzi più abbordabili. Inoltre può permettere l’installazione di pannelli solari in luoghi finora considerato poco adatti.