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Accesso all’energia con i nanomateriali

 By Luca Longo

Eni Award, iniziativa nata con lo scopo di incentivare la ricerca nel settore energetico, si è guadagnata nel corso degli anni il riconoscimento di un vero e proprio “Nobel dell’Energia” laddove il celebre Premio dell’accademia di Stoccolma non contempla tale specifico campo.
Vi presentiamo uno dei due vincitori del Premio Giovane Ricercatore dell’anno: Matteo Fasano

Oggi parliamo con Matteo Fasano. 30 anni, torinese, ricercatore a tempo determinato al Dipartimento Energia del Politecnico di Torino è vincitore di “ENI AWARD 2017 – Premio Giovane Ricercatore dell’anno” con la ricerca Trasferimento di calore e massa attraverso interfacce solido-liquido alla nanoscala.

Matteo, parliamo del tuo progetto di ricerca. Ma prima della soluzione facci capire il problema.

Sono sempre più numerose le tecnologie che si basano sui nanomateriali, solidi che presentano speciali proprietà dovute alle loro piccolissime dimensioni: mille volte più piccoli dello spessore di un filo di una ragnatela.

Ok. Ma perché il tuo lavoro è importante?

Perché alcune di queste tecnologie sono strategiche per il nostro futuro e sono in grado di risolvere problemi globali per l’accesso all’energia e all’acqua potabile.

Si va da quelli per l’assorbimento e il trasporto di calore con nanofluidi in impianti solari, all’accumulo di calore con materiali nanoporosi fino alla purificazione dell’acqua per nanofiltrazione e alla nanomedicina.

Per comprendere come si comportano, è fondamentale capire cosa avviene proprio all’interfaccia fra il nanomateriale e l’acqua.

E tu cosa hai scoperto?

Ho trovato una legge universale capace di predire la diffusione e la mobilità dell’acqua in prossimità di questi solidi microscopici. In quei 2-3 nanometri fra acqua e la superficie dei nanomateriali si trova la chiave del problema che fa sì che questi si comportino in modo completamente diverso rispetto a materiali di dimensioni maggiori che si trovano a contatto con l’acqua. Parliamo sempre di oggetti e distanze della scala di un millesimo dello spessore della nostra tela di ragno.

Fino a oggi non si conoscevano le proprietà dell’acqua in quei primi 2-3 nanometri di spessore ma, con il gruppo di cui faccio parte, siamo stati in grado di formulare una la legge generale in grado di predirne il comportamento.

Fin qui la teoria, e pure piuttosto complicata…

Si, certo. Ma poi è stato possibile verificarla sperimentalmente con tecniche di risonanza magnetica. E ricercatori dell’Oak Ridge National Laboratory (USA) hanno riconfermato la generalità della soluzione proposta grazie a tecniche di quasielastic neutron scattering.

Forte. Vuoi dire che nei laboratori americani studiavano le stesse cose ed erano pieni di strumenti sofisticati ma non riuscivano a trovare una soluzione?

Esatto. Noi non li conoscevamo nemmeno, ma hanno letto quasi per caso le nostre pubblicazioni, decidendo poi in piena autonomia di fare una serie di sperimentazioni per validare o smentire la nostra scoperta. E la nostra legge ne è uscita promossa a pieni voti!

Fasano riceve il premio durante l'evento Eni Award 2017

Quale è stata la principale difficoltà che hai incontrato e come l’hai superata?

Sono state necessarie molte simulazioni di molecole di acqua all’interfaccia di nanomateriali per filtri da dissalazione, di acqua e proteine, di acqua e grafene, ecc. Era una montagna di dati che cresceva sempre di più e non riuscivamo a dare un senso a tutta la massa dei risultati che le simulazioni generavamo.

E come è stata la svolta? Un giorno si è accesa la lampadina?

È stato un lungo processo di intuizione e verifica. Non c’è stato un giorno in cui sono saltato fuori dalla vasca da bagno gridando Eureka, ma sono stati necessari diversi mesi per estrarre la legge da quella massa di dati. Ho scomposto il problema in termini sempre più semplici fino a che non è stato possibile trovare la chiave.

Quanto è stato importante l’approccio teorico affiancato all’approccio sperimentale?

È fondamentale perché il processo di sviluppo di una teoria è interattivo: la teoria tenta di prevedere l’esperimento e viene corretta dal risultato sperimentale. Da qui nasce una nuova teoria che viene poi messa alla prova e così via.

Un approccio multidisciplinare?

È risultata decisiva l’interazione con ricercatori di esperienze diverse: chimici, biologi, ingegneri, fisici… E altri specializzati in campi completamente differenti.

A parte la verifica offerta da Oak Ridge, questa ricerca è stata tutta Made in Italy?

Al 100% si può dire: si è svolta completamente al Politecnico di Torino, in collaborazione con l’Imperial College, il MIT e lo Houston Methodist Research Institute, dove ho soggiornato per diversi mesi. Attualmente stiamo collaborando con il CNR di Messina per gli studi sull’accumulo termico.

E adesso dove andrai coi tuoi nanomateriali a mollo nell’acqua?

Mi sto concentrando su quella che si chiama Frugal Engineering. Si tratta di raggiungere prestazioni simili a quelle dei materiali più specialistici con materiali a basso costo, di sfruttare fonti di energia termica rinnovabile o di scarto (cascami termici). L’obiettivo è permettere l’accesso all’energia e all’acqua anche alle popolazioni più povere. Stiamo lavorando a un dissalatore costituito da materiali economici e che consuma poca energia. Per esempio, il generatore di vapore assorbe acqua per capillarità senza bisogno di pompe; questa viene scaldata dal Sole, evapora e condensando produce acqua distillata. Il sale che si concentra nel dispositivo viene dissipato durante la notte semplicemente per gradiente di concentrazione e il giorno dopo tutto il processo può ricominciare. Raggiungiamo efficienze dell’80-90% con materiali poveri come rame, cotone…

Hai pochi secondi per convincere un ragazzo che ha finito la scuola secondaria a proseguire gli studi…

Investi sulla conoscenza perché il nostro mondo si sta sempre più focalizzando sulla tecnologia. Conoscere e governare le tecnologie ti sarà indispensabile per non restare indietro. E poi… è divertentissimo capire la natura e trovare tecnologie che ci permettano di migliorare il nostro mondo.

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informazioni sull'autore
Luca Longo
Chimico industriale specializzato in chimica teorica. Si occupa di calcolo scientifico da 30 anni. Lavora nella ricerca di nuove tecnologie per l’energia. In tutto quello che fa, ama andare fino in fondo.