Celle solari in rubrene. L'organico avanza.

"Dillo come lo diresti a tua madre".

La tecnologia delle celle solari in materiale organico ha compiuto un incoraggiante passo in avanti grazie al lavoro di Vitaly Podzorov, professore di fisica alla Rutgers University del New Jersey.

Le celle solari sono dei dispositivi che consentono di ottenere energia elettrica dall'energia luminosa. In soldoni quando le particelle di luce (fotoni) vengono assorbite dalla cella, esse "creano" particelle elettriche (elettroni carichi negativamente e lacune cariche positivamente). Queste particelle elettriche, muovendosi, formano la cosiddetta "corrente" che serve per far funzionare apparecchi grandi e piccoli siano essi calcolatrici tascabili o elettrodomestici.

I materiali organici, che contengono carbonio come la plastica, sono molto promettenti in quanto costano poco, sono flessibili e trasparenti. Sarebbe possibile in linea di principio ricoprire interi palazzi di celle solari trasparenti in luogo dei classici ed ingombranti pannelli scuri che si vedono sui tetti. Purtroppo i materiali organici hanno lo svantaggio di lasciarsi attraversare male dalla corrente per cui gran parte delle particelle elettriche vengono "riassorbite" prima che riescano ad uscire dalla cella e sono di fatto inutilizzate.

Il professor Podzorov lavora da tempo col rubrene, un materiale organico dal colore rosso, realizzando transistori (i "mattoncini" dei circuiti integrati). Realizzando celle solari in rubrene ha visto che le particelle elettriche sono in grado di muoversi più velocemente per cui hanno più possibilità di uscire dalla cella prima che vengano riassorbite. Ciò consente di "tirare fuori" più corrente da un cella in rubrene rispetto ad altri materiali organici e costituisce un importante passo in avanti per il progredire di questa tecnologia.

Nuova speranza per chi soffre di glaucoma.

Può una lente a contatto aiutare a diagnosticare il glaucoma? Sì se la dotiamo di un'antenna, un sensore ed un microprocessore.

Il glaucoma è una malattia degenerativa dell'occhio. Dovuta da un danno al nervo ottico può portare alla cecità se non trattata in tempo farmacologicamente o chirurgicamente per cui una diagnosi precoce è fondamentale.

Si ritiene che la causa principale del glaucoma sia un elevato aumento di pressione del liquido intraoculare. In soldoni gli occhi si gonfiano troppo e premono sul nervo ottico danneggiandolo.

Già ora la pressione intraoculare viene misurata ma essendo essa variabile durante il giorno può darsi che all'atto dell'esame essa sia bassa dando risultati non significativi. L'alternativa è un ricovero in ospedale in cui si viene svegliati ogni due ore per effettuare le misurazioni. Decisamente sgradevole.

Il rimedio proposto dalla svizzera Sensimed consente di misurare la pressione intraoculare nell'arco di 24 ore senza causare eccessivi disagi al paziente.

La particolare lente a contatto che vedete in foto è dotata di un sensore di deformazione che consiste di un sottile anello di platino (il cerchio grigio esterno). Quando la pressione oculare varia, la lente a contatto si deforma e con essa anche l'anello che varia la sua resistenza elettrica.

Il paziente porta con sé un registratore dati che è collegato ad un'antenna trasmittente tenuta intorno all'occhio da un cerotto. Periodicamente l'antenna trasmittente invia energia all'antenna ricevente sulla lente a contatto (i cerchi dorati) in modo da alimentare un microprocessore (la piastrina grigia) e fare la misura di pressione. La lente invia quindi i dati al registratore che vengono poi scaricati sul pc dal medico consentendo una diagnosi più efficace in quanto si basa su delle misurazioni compiute nell'arco delle 24 ore.

Attualmente la lente viene testata da un centinaio di pazienti in Svizzera, Austria e Germania.

Addio zanzare, è in arrivo il recinto fotonico!

Calda serata d'estate, ne approfittate per una grigliata tra amici nel giardino di casa vostra. Carne succosa, birra fresca, magari qualche bella ragazza in bikini ai bordi della vostra piscina (ammazza, siete dei ricconi).

Cosa potrebbe rovinare il tutto?

Loro. Le zanzare.

E cos'è meglio di un recinto fotonico per abbatterle? Cosa sarebbe? Semplice, friggiamo le zanzare a colpi di raggi laser.

La locuzione "sparare ad una zanzara con un bazooka", usata per indicare una reazione esagerata ad un'azione insignificante, potrebbe descrivere una situazione più che reale.

La Intellectual Ventures ha davvero messo a punto un sistema che consente di uccidere le zanzare con dei raggi laser stile Guerre Stellari. Sì, pensavo anche io che fosse una "americanata" ma, sorprendentemente, il sistema potrebbe avere un'applicazione pratica molto importante.

Rallentare la diffusione in Africa di malattie come la malaria che sfruttano proprio il morso delle zanzare per diffondersi. l progetto è infatti nato grazie all'impulso di Bill Gates che dirige una fondazione per aiutare le popolazioni del Terzo Mondo.

Spectrum dedica un articolo al sistema, in ci sono tutte le indicazioni su come realizzare il "recinto" che impedirà ai succhiasangue di rovinare la vostra grigliata. Non è molto economico in verità, per cui è il caso di affidarsi ancora agli zampironi.

Nell'immagine in basso (cliccate per ingrandirla e leggere le didascalie) è presente una descrizione di massima del sistema.

Il recinto è delimitato da 4 pali su cui vengono montate 4 telecamere che hanno il compito di individuare la zanzar, un vero è proprio sistema di sorveglianza. Non è necessario usare modelli costosi dato che non si è interessati a fare un filmato in alta definizione del volatile per immortalarne il malefico ghigno ma semplicemente capire se c'è-o-non-c'è. E' necessario però che siano abbastanza veloci e non "scattose" come le webcam dato che non farebbero in tempo a beccare l'intruso che vola a circa 1 m/s.

I pali vengono ricoperti di materiale riflettente in modo che siano particolarmente luminosi. Quando qualcosa entra nell'inquadratura, alcuni pixel dell'inquadratura si scuriscono. Dannatamente semplice.

Ma appunto, "qualcosa". Come evitare di sparare il laser contro una persona, il gatto dei vicini o una farfalla? Come si identifica un "nemico" da un "amico"?

Ci si basa su delle regole che consentono di decidere se sparare o meno. Se i pixel che divetano più scuri occupano una grande area, difficilmente sarà una zanzara. Se l'area è lunga e sottile, magari è un ramo di un albero che è entrato nell'inquadratura mosso dal vento. Bisogna quindi individuare piccole aree più scure circondate da un'area chiara, ossia il palo opposto. In questo modo si è sicuri che il volatile è piccolo e quindi o è una zanzara o al limite una più innocua mosca.

E se piove? Sparo di continuo alle gocce? Premesso che se piove difficilmente state in giardino ad arrostire le costine, il problema è facilmente evitabile: non sparare a "cose" che si muovono verticalmente.

E se passa una una foglia spinta dal vento? Semplice, non sparare a "cose" che si muovono troppo lentamente. Tramite questa serie di regole, evitiamo che il sistema spari ad minchiam inutilmente.

Qualcuno potrebbe pensare "e gli attacchi dall'alto?" Vero, il recinto protegge lateralmente quindi se la zanzara lo scavalca il sistema è inefficace ma bisogna considerare che questi insetti in genere vivono in acquitrini a livelli del terreno per cui difficilmente volano molto alto. Un recinto alto 4-5 metri risulta efficace da tenere alla larga buona parte degli intrusi.

Una volta deciso che c'è un intruso e che bisogna abbatterlo, è necessario prendere la mira e sparare.

Il raggio laser viene puntato tramite una serie di lenti e specchi. Il sistema di puntamento è quello che costa di più, inoltre in base alla lunghezza d'onda del laser (brutalmente, il "colore" del raggio luminoso) ed alla precisione che si vuole ottenere, il sistema di lenti e specchi cambia in dimensione e costo.

Quanto forte spariamo? Beh, dipende da quanto crudele vuole essere la nostra vendetta. In questo video in slow-motion vengono presentati gli effetti del laser (la lucina viola) su diverse zanzare in volo.

In base alla potenza del raggio è possibile decretare diverse piacevoli condanne a morte: si passa da un semplice "febbrone" che lascia i mosquitos agonizzanti al suolo, allo strappamento di ali ed antenne con tanto di sbuffo di fumo dovuto ai liquidi in ebollizione.

Buon appettito.

PS: l'articolo linkato contiene diversi dettagli tecnici circa il sistema di acquisizione e puntamento. In particolare si affronta il problema della risoluzione delle telecamere, il sistema ottico e la scelta della lunghezza d'onda del laser. Ho volutamente eluso tutte le spiegazioni tecniche per rispettare la filosofia del "dillo come lo diresti a tua madre".

L'Arte del Fallimento

Chi l'ha detto che un guasto non possa essere gradevole al punto da diventare una vera e propria opera d'arte?

E' quello che deve aver pensato Djemel Lellouchi, ingegnere della Nova MEMS, un'azienda francese di componenti micro-elettro-meccanici vincitore del concorso Art of Failure Analysis, letteralmente l'Arte dell'Analisi dei Guasti . Per la serie "sbagliando si impara" quando i componenti elettronici si guastano, magari perché di nuova progettazione e quindi ancora acerbi, essi vengono sottoposti ad una vera e propria autopsia in miniatura. Tramite microscopi, raggi X e speciali trattamenti fisico-chimici si analizzano i componenti per scoprire il perché del guasto.

Durante una di queste autopsie su uno switch ottico (rozzamente, un interruttore che scatta se illuminato o meno) Lellouchi ha trovato questo "uovo di dinosauro" che gli ha fatto vincere il concorso per il ... miglior fallimento 2009.

A seguire altre 9 stranezze microscopiche presentate nello stesso concorso. Seguendo la filosofia "rendi questo blog comprensibile persino a tua madre" sacrificherò la precisione in funzione dell'essenza, quindi gli esperti in elettronica e fisica dello stato solido non rabbrividiscano per la semplificazione che adotterò nelle didascalie.

Questo "fiore" è un grumo composto in parte di zolfo, elemento chimico presente nel celebre e corrosivo acido solforico. Un chip è composto da vari strati di diverso materiale, un po' come un panino di McDonalds, che devono avere uno spessore ben preciso. Quando se ne mette troppo o bisogna fare un po' di pulizia superficiale, si usano degli acidi che sciolgono in parte il materiale.

Queste "radici" sono in realtà delle crepe all'interno di uno strato di arseniuro di gallio, materiale usato per celle solari, sensori ad infrarossi e chip ad alta velocità. Affinché un chip funzioni correttamente è necessario che il materiale con cui viene realizzato sia un cristallo perfetto, senza difetti come buchi o crepe. Tuttavia la perfezione non esiste, i difetti son sempre presenti (anzi, in alcuni casi sono necessari) e possono avere la simpatica tendenza a propagarsi come una crepa che avanza col tempo in una parete.

Non è la coda di un serpente, bensì un minuscolo ago di tungsteno, lo stesso materiale di cui è fatto il filo delle lampadine che diventa incandescente. Nella foto quello che è successo ad una micro-sonda che ha inavvertitamente colpito la superficie del chip arricciandosi.

Mi ha ricordato un po' la faccia di Gesù "apparsa" su un bastoncino di pesce. Questo volto minaccioso è il risultato dell'impatto di un oggetto su una superficie d'oro. Il prezioso metallo si lascia attraversare molto bene dalla corrente e viene usato per realizzare minuscoli fili all'interno dei chip. Dato il crescente numero di rifiuti elettronici (vecchi pc in primis) si sta pensando di recuperare questi metalli preziosi anche se resta da valutare la convenienza economica.

Cosa fate prima di incollare un adesivo ad una superficie? Esatto, la pulite per migliorare l'aderenza. Nei chip avviene la stessa cosa. Affinché i vari materiali si incollino bene a vicenda è necessario pulirne le superfici e questo può essere fatto anche con della semplice acqua a patto che sia purissima. In caso contrario la presenza di contaminazioni può causare queste "foreste".

I due materiali incollati sono alluminio, metallo usato per collegare diverse zone del chip, e nitruro di silicio, un materiale isolante composto da silicio ed azoto.

Tulipani olandesi? In realtà dei diodi spezzati visti ai raggi X. Qui una foto di un diodo intero.

Quella che sembra un'anatra che "contempla il futuro dell'industria dei semiconduttori", come detto dal suo scopritore, è in realtà un grumo di piombo.

No, non è la tigre dai denti a sciabola de L'Era Glaciale. Le "zanne" servono per collegare diversi strati di un chip e consentire il passaggio della corrente, un po' come le scale di un palazzo consentono alle persone di spostarsi tra i diversi piani. La presenza della scala ci consente di farci un'idea delle dimensioni in gioco. La "zanna" è larga 20μm ossia 20 milionesimi di metro, 5 volte più sottile di un capello. Se sembra già un'inezia, basti pensare che in alcuni casi 20μm sono un'enormità in microelettronica. A volte si impiegano strati di materiale spessi 0.01μm, ossia 10.000 volte più sottili di un capello.

Non so voi, ma io ho pensato immediatamente ad un intestino umano. In realtà è una termografia, ovvero un'analisi che ci dice quanto è alta la temperatura del chip in varie zone in modo da capire dove si accumula il calore con conseguente rischio di bruciatura.

Fonte: IEEE Spectrum - Slideshow: The Art of Failure 2009

Ronzio della ventola del pc? Tra qualche anno potrà essere solo un ricordo.

Chiunque di voi avrà certamente notato il ronzio provenire del vostro amatissimo pc. E quasi tutti sapete che esso proviene dalla ventolina impiegata per raffreddare il processore che, lavorando costantemente per tenere tutto sotto controllo, è l'elemento che genera un botto di calore ed ha bisogno di stare sempre "fresco".

La ventolina è montata su un dissipatore di metallo (il pezzo grigio con le lamelle in figura) che è incollato sul processore. Il dissipatore assorbe il calore e viene raffreddato dalla ventola che tira via l'aria calda, facendo in modo che la temperatura non salga troppo col rischio di fondere il processore (e poi son dolori di pancia).

Nel corso del tempo sono nate soluzioni sempre più efficaci e visivamente spettacolari, con dei veri e propri tubi di rame necessari per distribuire meglio il calore evitando che si accumuli.

Si è poi passati al raffreddamento a liquido, simile per principio a quello impiegato nella vostra automobile. Il calore viene assorbito da un liquido che circola in dei tubi che viene poi raffreddato tramite una ventola. Sebbene più efficiente di un raffreddamento ad aria, tale sistema è più costoso e a meno che non siate dei giocatori che spremono la linfa vitale del processore, non ne sentirete mai il bisogno.

In ogni caso, c'è sempre una ventola che gira generando rumore. Se poi essa è malandata o piena di polvere, il ronzio può essere davvero disturbante.

Nel caso di un computer portatile, il raffreddamento è complicato dal fatto che lo spazio è ridotto. Spesso si vogliono portatili sottili sottili, per cui i vari componenti vengono addossati l'uno all'altro e la circolazione dell'aria è più ostacolata rispetto ad un computer da scrivania (i cosiddetti desktop).

Mentre per un desktop tipicamente il ronzio della ventola è costante, per un portatile esso diventa maggiore quando la macchina è messa sotto stress: il maggiore lavoro del processore ne alza la temperatura, per cui la ventola deve girare più velocemente per abbassare la temperatura. Questo anche per evitare la spiacevole sensazione di poggiare i polsi su una piastra per bistecche.

Ronzii e rumori vari sembrano però avere i giorni contati, grazie ad un innovativo sistema di raffreddamento ... senza ventola. Vi chiederete: e chi soffia? Giusta obiezione.

Nell'agosto del 2006 è giunta la notizia che ricercatori della Intel, in collaborazione con alcune università USA, hanno messo a punto un sistema di raffreddamento a "vento ionico". Dietro il nome altisonante c'è un concetto abbastanza semplice.

Applicando un'alta tensione ad un elettrodo (in soldoni, una punta di metallo) gli atomi di aria quali ossigeno ed azoto vengono ionizzati. Vuol dire che, se prima erano atomi neutri, diventano atomi carichi positivamente perchè viene loro strappato un elettrone e sono le palline gialle col simbolo +.

Gli ioni sentono l'influenza del campo elettrico tra gli elettrodi, ossia vengono respinti dal "corona electrode" che è carico anch'esso positivamente e vengono attratti dal "collector electrode" che li raccoglie, essendo carico negativamente. E' la stessa storia delle cariche dello stesso segno che si respingono e quelle di segno opposto che si attraggono. In tal modo, si riesce a creare un "vento di ioni", dato che essi si spostano. Gli ioni vanno a sbattere contro gli atomi d'aria calda (le palline verdi) e la trascinano via dalle zone ad alta temperatura, finendo col raffreddare i componenti.

Se tre anni fa questo era solo un passatempo da laboratorio, a maggio la Tessera (azienza dicroelettronica) è riuscita a sfruttare questo principio in un portatile vero e proprio. Il raffreddamento a vento ionico si è dimostrato migliore di quello classico a ventola oltre a consumare meno. Ed ha un vantaggio che ingolosisce tutti i possessori di portatile: non fa rumore, dato che non ci sono ventole. E già che c'è, potrebbe fare a meno anche del dissipatore che si piglia comunque il suo spazio.

Quelli della Tessera sono fiduciosi e pensano di riuscire a rendere il sistema vendibile entro il prossimo anno. Ci sono ancora dei problemi da risolvere come la tendenza degli elettrodi a consumarsi. Questo potrebbe guastare il sistema di raffreddamento portando alla rottura dei componenti critici, per cui si sta lavorando per trovare materiali più adatti e resistenti.

PS: Per i più curiosi, riporto i due articoli (in inglese) tratti da Technology Review usati come base per l'articolo del blog: Tiny Pump Cools Chips e A Laptop Cooled with Ionic Wind

Inoltre, mentre cercavo le immagini per arricchire questo intervento, mi sono imbattuto nella pubblicazione scientifica degli ingegneri della Tessera (in inglese anch'essa) che hanno modificato il portatile per verificare la bontà del raffreddamento a vento ionico. Non l'ho ancora letta, ma un'occhiata rapidissima rivela che è decisamente più tecnica e risulterà indigesta per alcuni palati. La pubblicazione è in formato pdf .

Se il vostro pc si basa sul silicio (ed è così, fidatevi) è un futuro catorcio. Arriva il grafene.

Chiunque abbia qualche annetto come me, non può fare a meno di sorridere pensando al primo pc che ha acquistato. Il mio era un 486 (i Pentium ancora non esistevano) che lavorava a 66MHz (detto crudemente, capace di fare 66 milioni di operazioni al secondo) con 4MB di RAM (avete letto bene, in sostanza la capacità di 3 floppy disk) ed un hard-disk da 540MB (ossia meno di un cd).

Il portatile con cui vi scrivo, buon modello ma non certo l'ultimo ritrovato tecnologico, lavora a 2,5GHz (ossia 2 miliardi e mezzo di operazioni al secondo, quasi 40 volte più veloce), 4GB di RAM (1000 volte più grande) ed un hard-disk di 320GB (600 volte più grande).

Se mi avessero detto questi numeri alla fine degli anni 90 mi sarei messo a ridere.

Tale eccezionale miglioramento è stato reso possibile dalla continua ricerca scientifica, impegnata ad ottenere materiali di alta qualità che consentono la produzione di chip "migliori".

Il 99% dei chip, ossia quelle specie di millepiedi che si vedono attraverso le fessure della televisione o quando smontate un pc, è basato sul silicio. Questo materiale è molto abbondante in natura (quasi un quarto della crosta terrestre, si trova nella sabbia e nel vetro!) per cui è abbastanza economico e lavorato opportunamente consente di fabbricare chip di elevata qualità per la costruzione di apparecchiature tecnologicamente avanzate. Ne è la prova il vostro pc, lo schermo al plasma, l'iPod, lo Shuttle e via dicendo.

Tuttavia, la necessità di manipolare quantità di dati sempre maggiori (p.es. un video ad alta qualità, fotografie digitali ad elevata risoluzione, ecc.) richiede chip sempre più veloci.

Detto sempre crudemente, la velocità di un chip dipende da quanto veloce riescono a muoversi le cariche elettriche al suo interno, ossia dalla loro mobilità. All'interno di diversi materiali, le cariche elettriche hanno mobilità diverse. Essendo vicini al raggiungimento dei limiti del silicio, avendo spremuto lo spremibile, non si riusciranno a produrre chip ancora più veloci, per cui nel corso degli anni l'attenzione è stata rivolta anche ad altri materiali.

Uno di questo è il grafene, ossia un sottilissimo foglio di carbonio (altro elemento ben noto essendo la nostra vita basata su di esso) con una struttura a nido d'ape. Con "sottilissimo" non intendo quanto un capello o un foglio di carta. Intendo 300.000 volte più sottile di un capello, ossia un singolo strato di atomi. La mobilità del grafene è 100 volte maggiore di quella del silicio, per cui non sorprende che esso abbia attirato l'attenzione dei ricercatori da diversi anni.

Molto curioso il metodo con cui si ottiene questo foglio sottilissimo: col nastro adesivo. Davvero. Si prende un blocco di grafite (si tratta sempre di carbonio ed è il materiale che si usa per le matite), si appiccica del nastro adesivo sopra e si tira via. Sul nastro rimane un sottile strato di grafite, ossia il grafene.

E' notizia di questi giorni che alla prestigiosa università MIT, hanno realizzato in laboratorio un chip in grafene, in particolare un moltiplicatore di frequenza. Detto in soldoni, un circuito che ha in ingresso un segnale lento e lo trasfroma in un segnale veloce. Diciamo che mette il "turbo" ecco. La stessa cosa si può fare con il silicio, ma è un turbo più lento.

L'impiego del grafene, come anche i loro parenti nanotubi di carbonio (in sostanza un foglio di grafene arrotolato a formare un minuscolo tubo) offrono prospettive interessantissime come una maggiore velocità di trasferimento dati. In sostanza, computer ancora più veloci.

Il prossimo passo ora è quello di realizzare tali chip di grafene in larga scala, per renderne possibile la commercializzazione. Un aspetto molto positivo, è che le stesse tecniche di costruzione usate fino ad oggi per il silicio, possono essere impiegate per il grafene. Questo vuol dire ridurre i tempi di diffusione dei chip in grafene sul mercato. I ricercatori parlano persino di 1-2 anni.

Maggiori informazioni sono disponibili nell'articolo del MIT (in inglese): http://web.mit.edu/newsoffice/2009/graphene-palacios-0319.html

(Gli esperti di pc ed elettronica, perdonino le numerose semplificazioni adottate nell'articolo. Sono uno studente in ingegneria elettronica e mi rendo bene conto come la materia andrebbe esposta con più rigore. Tuttavia la mia linea guida in questo blog è "dì le cose come se vorresti spiegarle a tua madre" :) )