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Biossido di Vanadio: il materiale del futuro

Biossido di Vanadio: il materiale del futuro

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Uno dei materiali più performanti del futuro è il biossido di vanadio (V02) poiché, tra le varie applicazioni, con grande probabilità sostituirà il silicio nei dispositivi elettrici a bassa potenza. La caratteristica che lo rende prezioso è la sua capacità di essere un isolante a temperatura ambiente, per diventare un conduttore con l’aumentare della temperatura. Questo originale comportamento è definito Transizione Metallo-Isolante ed è dovuto al cambiamento della struttura atomica che da cristallina diventa metallica superando i 68°C. Nell’attuale fase sperimentale l’ostacolo più grande è rappresentato dal fatto che la temperatura di 68° risulta ancora troppo bassa per la maggior parte dei circuiti elettronici. Questo problema potrebbe essere stato risolto tramite l’aggiunta di germanio alla pellicola di VO2 che consentirebbe il cambiamento di fase dello stesso VO2 solo oltre i 100°.

L’applicazione pratica di questo metallo sembra destinata però a parecchie rivoluzioni nel mondo reale. Ad esempio sembrerebbe essere in grado di convertire il calore di scarto prodotto da motori a scoppio in elettricità. Basti pensare che circa il 90% dell’energia sviluppata da un motore a scoppio è dissipata in calore. Questo potrebbe innescare una rivoluzione nelle macchine ibride.

Il biossido di vanadio è in grado di trasformare un rivestimento in un materiale optoelettronico, in grado, cioè, di trasformare segnali elettrici in segnali ottici e viceversa reagendo alla luce in maniera controllata, con la possibilità di rimanere trasparente o, se le alte temperature atmosferiche lo richiedono, diventare opaco come reazione alle radiazioni solari infrarosse. I primi test effettuati hanno documentato che le smart windows in V02 sono risultate più efficienti del 70% dei doppi vetri durante l’estate e del 45% nel periodo invernale. Tutto questo si concretizzerà in una nuova generazione di infissi in grado di mantenere freschi gli ambienti d’estate e caldi d’inverno riducendo in maniera significativa l’uso del condizionamento.

Queste descritte sono solo alcune delle possibili applicazioni delle caratteristiche intrinseche del VO2, ma molte altre sono in fase di studio come la realizzazione di rivoluzionari modulatori elettro-ottici (Markov, P. et al. Optically Monitored Electrical Switching in VO2. ACS Photonics 2, 1175–1182, https://doi.org/10.1021/acsphotonics.5b00244 (2015)), dispositivi di memoria (Lee, M. J. et al. Two series oxide resistors applicable to high speed and high density nonvolatile memory. Adv. Mater. 19, 3919–3923 (2007)), sistemi terahertz (Seo, M. et al. Active terahertz nanoantennas based on VO2 phase transition. Nano Lett. 10, 2064–2068 (2010). Luo, Y. Y. et al. Terahertz conductivities of VO2 thin films grown under different sputtering gas pressures. J. Alloys Compd. 655, 442–447, https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.08.254 (2016)), attuatori termici (Cao, J. et al. Colossal thermal-mechanical actuation via phase transition in single-crystal VO2 microcantilevers. J. Appl. Phys. 108, 083538 (2010)), Mott transistor (Nakano, M. et al. Collective bulk carrier delocalization driven by electrostatic surface charge accumulation. Nature 487, 459–462 (2012)), sensori di deformazione (Hu, B. et al. External‐Strain Induced Insulating Phase Transition in VO2 Nanobeam and Its Application as Flexible Strain Sensor. Adv. Mater. 22, 5134–5139 (2010)) e strati termo/elettrocromici (Mlyuka, N., Niklasson, G. & Granqvist, C.-G. Mg doping of thermochromic VO2 films enhances the optical transmittance and decreases the metal-insulator transition temperature. Appl. Phys. Lett. 95, 171909 (2009)).