PC e smartphone, il futuro è nei nanotubi di carbonio: raggiunte velocità incredibili

Costruito un transistor con nanotubi di carbonio quasi due volte più veloce degli omologhi in silicio. Per decenni gli scienziati hanno cercato di capire come realizzare la prossima generazione di computer utilizzando componenti realizzate con nanotubi di carbonio, perché le loro proprietà potrebbero essere alla base di dispositivi più veloci e, al contempo, consumare molto meno energia. “Realizzare transistor con nanotubi di carbonio che sono migliori dei transistor al silicio è un grande traguardo“, ha detto un membro del team, Michael Arnold, presso la University of Wisconsin-Madison.

Questo risultato è stato il sogno delle nanotecnologie negli ultimi 20 anni“. Lo sviluppo è iniziato nel 1991, i nanotubi di carbonio sono fondamentalmente cannucce di carbonio minuscole che hanno lo spessore di un solo atomo. Immaginate un piccolo tubo cilindrico circa 50.000 volte più piccolo rispetto alla larghezza di un capello umano fatto da atomi di carbonio disposti in matrici esagonali. È così che si presenta un filo di nanotubi di carbonio a livello atomico. A causa delle loro dimensioni, i nanotubi di carbonio possono essere imballati a milioni in wafer (una sottile fetta di materiale semiconduttore) che possono agire come un transistor di silicio – gli interruttori elettrici che insieme formano un’unità centrale di elaborazione di un computer (CPU).

Pur essendo incredibilmente piccoli, i nanotubi di carbonio hanno alcune proprietà uniche. Sono più di 100 volte più resistenti dell’acciaio e con solo un sesto del peso. Sono elastici e flessibili come un filo di tessuto e possono mantenere le loro pareti spesse quanto un atomo, mentre la lunghezza può arrivare a centinaia di micron di lunghezza.

Proprio come il grafene, i nanotubi di carbonio sono uno dei materiali più conduttivi mai scoperti con legami ultra-forti che tengono gli atomi di carbonio in una struttura esagonale. I nanotubi di carbonio sono in grado di produrre un fenomeno noto come delocalizzazione degli elettroni che permette alla carica elettrica di muoversi liberamente attraverso di esso.

La disposizione degli atomi di carbonio consente al calore di muoversi costantemente attraverso il tubo, questo permette di aumentare la conducibilità termica di circa 15 volte e 1.000 volte alla capacità attuale di quella del rame, pur mantenendo una densità che è solo la metà di quella dell’alluminio. A causa di tutte queste proprietà stupefacenti, questi potenti semiconduttori potrebbero essere la risposta al potenziale rapido declino dei computer a base di silicio.

I personal computer del futuro potrebbero essere realizzati con i nanotubi di carbonio se si riuscirà a produrli in massa ed è proprio qui che si trova il problema, i nanotubi di carbonio sono difficili da isolare da tutte le piccole impurità metalliche che si insinuano nel corso del processo di produzione, queste impurità rovinano le proprietà del semiconduttore.

Ma Arnold e il suo team hanno finalmente capito come sbarazzarsi di quasi tutte queste impurità. “Abbiamo identificato le condizioni specifiche in cui è possibile sbarazzarsi di tutte le impurità metalliche dei nanotubi. Il risultato finale sono nanotubi con impurità metalliche inferiori allo 0,01 per cento, integrati in un transistor in grado di raggiungere una corrente che è 1,9 volte superiore rispetto alla maggior parte dei transistor al silicio in uso oggi“.

Le simulazioni hanno suggerito che nella loro forma più pura, i transistor a nanotubi di carbonio dovrebbero essere cinque volte più veloci o utilizzare cinque volte meno energia rispetto ai transistor in silicio. Questo significa che le batterie degli smartphone avranno una durata nettamente superiore, le comunicazione wireless saranno molto più veloci o la velocità di elaborazione sarà molto più alta, ma gli scienziati devono costruire un computer con transistor a nanotubi di carbonio prima di esserne sicuri. La squadra di Arnold è già riuscita a scalare i wafer fino a 2,5 per 2,5 cm, quindi ora occorre capire come rendere il processo abbastanza efficiente per la  produzione commerciale.

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