Rimaginare l’Industria del Carbone attraverso i Carbon Dots

Nel dicembre 2023, 198 paesi firmatari alla Conferenza delle Parti (COP) hanno concordato collettivamente che il mondo deve “transire” lontano dai combustibili fossili come il carbone in modo “giusto, ordinato ed equo” per ridurre le emissioni di gas serra quasi a zero entro il 2050. Tuttavia, non esistono ancora scadenze, quindi i combustibili fossili continueranno a essere il pilastro delle economie di tutto il mondo negli anni a venire.

Il carbone è la fonte di energia più dominante e più intensiva di carbonio al mondo. I quattro principali tipi di carbone includono:

(i) Antracite
(ii) Bituminoso
(iii) Subbituminoso
(iv) Lignite

Questo combustibile fossile rappresenta più del 37% dell’approvvigionamento elettrico globale, svolgendo un ruolo fondamentale nell’alimentare case e industrie e nell’alleviare la povertà energetica mondiale. Ancora oggi, circa 860 milioni di persone in tutto il mondo vivono senza accesso all’elettricità. Perciò, la vita moderna è semplicemente inconcepibile senza il carbone.

L’uso globale del carbone ha effettivamente raggiunto un record nel 2023, poiché la domanda di questo combustibile fossile è aumentata dell’1,4% nell’anno, superando per la prima volta i 8,5 miliardi di tonnellate metriche, riportato dall’International Energy Agency (IEA). Si prevede che il consumo globale rimarrà ben oltre gli 8 miliardi di tonnellate metriche nel 2026.

Il carbone è una risorsa essenziale per affrontare la sfida dell’aumento rapido del consumo energetico, poiché è significativamente più economico e più accessibile rispetto ad altri combustibili fossili. A differenza del petrolio e del gas, si trova in abbondanza in tutto il mondo.

Il punto del carbone è che non richiede tubazioni ad alta pressione, processi costosi o protezioni costose durante il trasporto, rendendolo più facile da immagazzinare e trasportare rispetto ad altri combustibili fossili altamente infiammabili. Inoltre, prima di essere utilizzato, il carbone deve solo essere estratto, a differenza di altri combustibili fossili, che richiedono un lungo e costoso processo di raffinazione.

Per non parlare del fatto che le riserve di carbone sono distribuite molto più equamente sul pianeta. A gennaio 2020, gli Stati Uniti possiedono le più grandi riserve di carbone al mondo, costituendo quasi il 90% di tutte le riserve di combustibili fossili, con una stima di 250 miliardi di tonnellate.

Oltre ad essere più economico e accessibile, il carbone è anche molto versatile e può essere utilizzato in una vasta gamma di processi. Il carbone è principalmente impiegato per la generazione di energia elettrica in tutto il mondo ed è effettivamente una forma di energia conveniente, poiché l’elettricità prodotta dal carbone è meno costosa rispetto a quella generata da altre fonti.

Anche negli Stati Uniti, il carbone viene utilizzato per produrre elettricità bruciando il combustibile fossile nelle centrali elettriche. Il calore risultante viene impiegato per trasformare l’acqua in vapore ad alta pressione, che aziona una turbina, la quale produce elettricità. Nel 2019, circa il 23% di tutta l’elettricità negli Stati Uniti è stata generata da centrali a carbone, secondo l’U.S. Energy Information Administration.

Questo combustibile fossile è anche impiegato per la produzione di acciaio e cemento ed è un componente fondamentale nella produzione di ferro, nonché di altri metalli come alluminio e rame. Il carbone e i suoi sottoprodotti sono inoltre utilizzati in filtri per l’acqua e sistemi di purificazione dell’aria, nella costruzione di aeroplani e automobili, in ambito medico e nei processi chimici per estrarre elementi delle terre rare.

Esistono inoltre casi d’uso di gassificazione e liquefazione del carbone, con la maggior parte dei progetti coal-to-gas situati negli USA e in Cina, e alcuni in Australia, Canada, India, Sudafrica e Indonesia. Oltre a produrre blocchi chimici di base, come ammoniaca, metanolo e urea, il carbone è anche impiegato nelle industrie della carta, del tessile e del vetro. Insieme alla produzione di fibra di carbonio, fornisce ingredienti come i metalli di silicio, utilizzati per produrre componenti per i settori della cura personale e della casa.

Nonostante l’abbondanza, l’accessibilità e l’affidabilità del carbone, il settore affronta sfide nello sviluppo di tecnologie e percorsi verso zero emissioni, identificati come fattori del cambiamento climatico.

Clicca qui per scoprire se la prevenzione o il trattamento è il modo per affrontare la CO2 atmosferica.

Rivalutare il Ruolo Economico del Carbone

Mentre i paesi di tutto il mondo si impegnano a passare a altri mezzi di produzione energetica a causa del loro contributo al cambiamento climatico, ricercatori e scienziati stanno esplorando altri modi per utilizzare il carbone. 

Per rivalutare il ruolo economico del combustibile fossile, la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, il National Energy Technology Laboratory, l’Università dell’Illinois Urbana-Champaign e l’Oak Ridge National Laboratory si sono unite per uno sforzo di ricerca congiunto e hanno dimostrato il ruolo critico che il carbone può svolgere nei dispositivi elettronici di nuova generazione.

Negli ultimi anni, molte ricerche sono state condotte nel campo dei materiali 2D grazie alle loro proprietà elettriche, ottiche e meccaniche. La sintesi di una varietà di materiali 2D atomicamente sottili apre una nuova piattaforma di materiali strato per strato che consente l’esplorazione di proprietà sconosciute, promettendo una serie di nuove tecnologie.

I semiconduttori a strati 2D possiedono caratteristiche come alta mobilità, commutazione a basso consumo, un bandgap relativamente ampio e la disponibilità di metodi di crescita su larga area, il che li rende candidati promettenti per la prossima generazione di elettronica. Ora, il carbone è oggetto di sperimentazione per l’uso in tali dispositivi elettronici. 

“Il carbone è solitamente considerato come qualcosa di ingombrante e sporco, ma le tecniche di lavorazione che abbiamo sviluppato possono trasformarlo in materiali ad alta purezza spessi solo pochi atomi.”

– ha detto Qing Cao, professore di scienza dei materiali e ingegneria dell’Università dell’Illinois che ha co-condotto lo sforzo. 

Ha anche osservato:

“Le loro strutture atomiche uniche e le loro proprietà sono ideali per realizzare alcune delle più piccole possibili elettroniche con prestazioni superiori allo stato dell’arte.”

Nel quadro di questa collaborazione, i ricercatori hanno sviluppato un processo che ha convertito il carbone di carbone in minuscoli dischi di carbonio, chiamati “carbon dots”. 

Come dimostrato dal gruppo di ricerca, questi dischi di carbonio su scala nanometrica possono essere collegati per creare membrane atomicamente sottili. Queste membrane possono essere utilizzate in tecnologie come transistor bidimensionali (2D) e memristori. Secondo i ricercatori, queste tecnologie saranno fondamentali per costruire elettronica più efficiente.

Mentre i materiali a base di carbonio, sia il tradizionale carbonio industriale come il carbon black sia il nuovo carbonio industriale come grafite e fibre di carbonio, svolgono ruoli significativi nello sviluppo della scienza dei materiali, il materiale di carbonio macroscopico non può essere realmente utilizzato come materiale fluorescente efficace a causa della mancanza del band gap appropriato. È qui che i carbon dots (CD) sono emersi come una soluzione promettente.

I carbon dots o CD sono un nuovo tipo di nanomateriale a base di carbonio che ha attirato molta attenzione e interesse di ricerca grazie alle sue diverse proprietà fisico-chimiche. I carbon dots sono formulati meticolosamente e solitamente hanno dimensioni inferiori a 10 nm. Questo nanomateriale a base di carbonio presenta caratteristiche come piccole dimensioni, ecocompatibilità, basso costo, bassa tossicità, alta stabilità, buona biocompatibilità, mobilità elettronica, alto rendimento quantico, abbondanti gruppi funzionali e proprietà ottiche uniche, tra cui forte assorbimento, fotoluminescenza e fosforescenza.

Tutte queste qualità rendono questo nuovo materiale della famiglia del carbonio così popolare e hanno molte applicazioni. Questo include:

• Sensori
• Crittografia delle informazioni
• Fotocatalisi
• Diodi a emissione luminosa
• Rilevamento chimico
• Celle solari
• Supercondensatori
• Batterie ricaricabili
• Bioimaging
• Fototerapia
• Consegna genica
• Consegna di drudge
• Rilevamento di esplosivi
• Nanomedicina
• Sicurezza alimentare
• Antifalsificazione

Scopri come il metano può essere la chiave per raggiungere gli obiettivi climatici.

Il Carbone Gioca un Ruolo Vitale nella Elettronica di Prossima Generazione 

Ricercatori e scienziati di tutto il mondo hanno lavorato per realizzare elettronica più piccola, più veloce e più avanzata. Ciò significa che i dispositivi realizzati con materiali spessi solo uno o due atomi operano molto più rapidamente e consumano molta meno energia. 

Per questi dispositivi, sono stati condotti numerosi studi sui semiconduttori ultrafini, ma ora è necessario svolgere ricerche approfondite sugli isolanti atomicamente sottili per costruire dispositivi elettronici funzionanti come transistor e memristori.

Per quanto riguarda i materiali, sono divisi in conduttori, semiconduttori e isolanti in base alla loro capacità di condurre una corrente elettrica. Materiali come rame, ottone, acciaio, oro e alluminio, che conducono facilmente l’elettricità grazie alla bassa resistività elettrica, sono chiamati conduttori. 

Gli isolanti sono materiali come vetro, aria, legno, plastica e gomma, che non conducono facilmente l’elettricità. Nel frattempo, materiali come silicio (Si), germanio (Ge) e selenio (Se), così come composti come arsenico di gallio (GaAs) e antimonuro di indio (InSb), hanno un valore di conduttività elettrica intermedio tra quello di un conduttore e un isolante.

La resistenza di un semiconduttore diminuisce con l’aumento della temperatura, mentre la conduttività di un semiconduttore aumenta con l’aumento della temperatura.

Gli isolanti hanno una vasta gamma di applicazioni, tra cui l’isolamento delle pareti per regolare il flusso di calore, l’isolamento dei forni per barriere termiche e dielettriche, l’isolamento acustico per prevenire disturbi e l’isolamento elettrico nei circuiti domestici e nei condensatori di prodotti commerciali e di consumo. I semiconduttori sono anche presenti ovunque, come i piccoli transistor presenti in quasi tutti i dispositivi che usiamo e le celle solari impiegate nei pannelli solari per trasformare la luce solare in elettricità.

Negli isolanti, il gap energetico tra le bande di valenza e di conduzione è molto ampio (circa 15 eV), mentre in un semiconduttore questo gap è molto piccolo (circa 1 eV). 

Secondo lo studio più recente, gli strati atomicamente sottili di carbonio con strutture atomiche disordinate possono funzionare come eccellenti isolanti per la costruzione di dispositivi 2D, che il team ha creato a partire da carbon dots derivati dal carbone di carbone.

Ora, per dimostrare il potenziale degli strati di carbonio derivati dal carbone, i ricercatori li hanno utilizzati come dielettrico di gate nei transistor 2D. Costruito su molibdeno disolfuro semiconduttore, il team ha creato un dispositivo con una velocità operativa più di due volte superiore e un consumo energetico inferiore. 

Questi strati di carbonio derivati dal carbone non hanno “legami pendenti”, che sono abbondanti sulle superfici degli isolanti 3D convenzionali. Funzionando efficacemente come “trappole”, alterano le proprietà elettriche degli isolanti 3D, rallentando il trasporto di cariche mobili, il che influisce sulla velocità di commutazione del transistor. 

Tuttavia, i nuovi strati di carbonio derivati dal carbone, a differenza di altri materiali atomicamente sottili, sono amorfi, e le correnti elettriche indesiderate fluiscono attraverso l’isolante, portando a un notevole consumo energetico aggiuntivo durante il funzionamento dei dispositivi. Il signor Qing Cao ha detto:

“È davvero molto entusiasmante, perché è la prima volta che il carbone, qualcosa che normalmente consideriamo a bassa tecnologia, è stato collegato direttamente all’avanguardia della microelettronica.”

Un’altra applicazione dimostrata dai ricercatori sono i memristori, componenti elettronici che possono memorizzare e operare sui dati, migliorando significativamente l’implementazione dell’Intelligenza Artificiale (AI). Questi dispositivi memorizzano e rappresentano i dati modulando un filamento conduttivo.

Utilizzando strati di carbonio ultrafini come isolante, i ricercatori sono riusciti a ottenere una rapida formazione di tale filamento con basso consumo energetico, consentendo al dispositivo di operare ad alta velocità con bassa potenza. Inoltre, gli anelli di dimensioni atomiche in questi strati di carbonio derivati dal carbone intrappolano il filamento per migliorare la riproducibilità delle operazioni del dispositivo, aumentando l’affidabilità dell’archiviazione dei dati.

Questi nuovi dispositivi dimostrano che gli strati di carbonio derivati dal carbone di carbone possono essere utilizzati nei dispositivi 2D. Nel passo successivo, lo sforzo collaborativo si orienterà verso lo sviluppo di un “processo di fabbricazione per isolanti di carbonio a base di carbone” che possa essere applicato su larga scala.

Sfruttare il Nuovo Approccio 

Mentre il mondo sta passando dal carbonio a causa di un’attenzione crescente alla riduzione delle emissioni di gas serra, la ricerca in corso nel settore per rivalutare il carbonio può vedere diverse industrie, come i produttori di semiconduttori, sfruttare le sue nuove forme in futuro. Diamo quindi un’occhiata ad alcune delle aziende che possono adottare tali approcci. 

#1. Taiwan Semiconductor Manufacturing 

Questo è il più grande produttore di chip al mondo che utilizza le tecnologie di processo più avanzate del settore. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. è nota per soddisfare le esigenze di molti clienti di alto profilo, tra cui NVIDIA, AMD, Intel e Apple. La gamma di applicazioni dei prodotti dell’azienda copre l’ampio settore elettrico, ed è in lenta espansione in tutto il mondo con fabbriche distribuite su tre continenti.

Con una capitalizzazione di mercato di $530,26 miliardi, le azioni TSM sono attualmente scambiate a $101,40, in calo dell’1,69% dall’inizio dell’anno (YTD). L’azienda ha registrato un fatturato degli ultimi dodici mesi (TTM) di $69,84 miliardi, con EPS (TTM) di 5,36, P/E (TTM) di 19,08 e ROE (TTM) di 29,43%. Taiwan Semiconductor Manufacturing paga anche un rendimento da dividendo dell’1,88%.

#2. NVIDIA Corporation 

Questa azienda sviluppa hardware e software per il gaming, laptop, data center e applicazioni ed è specificamente nota per la creazione di unità di elaborazione grafica (GPU) per una varietà di applicazioni, tra cui giochi, mining di criptovalute e AI. 

Recentemente, Nvidia ha presentato il suo nuovo processore grafico desktop, la serie GeForce RTX 40 SUPER, per gli appassionati di videogiochi e per eseguire localmente applicazioni AI. Nvidia sta anche espandendo la sua presenza nel settore dei veicoli elettrici in Cina, avendo annunciato che quattro marchi cinesi di veicoli elettrici utilizzeranno la sua tecnologia per sistemi di guida automatizzata.

Con una capitalizzazione di mercato di $1,29 trilioni, le azioni NVDA sono attualmente scambiate a $522,58, in rialzo del 5,5% dall’inizio dell’anno (YTD). L’azienda ha registrato un fatturato degli ultimi dodici mesi (TTM) di $44,87 miliardi, con EPS (TTM) di 7,57, P/E (TTM) di 68,99 e ROE (TTM) di 69,17%. Nvidia paga anche un rendimento da dividendo dello 0,03%.

#3. Advanced Micro Devices, Inc. 

Questo progettista di CPU e GPU è una delle più grandi aziende di chip che ha recentemente annunciato la serie Ryzen 8000G, guidata dal Ryzen 7 8700G, che AMD afferma includa l’acceleratore grafico integrato più veloce. Nel frattempo, l’ultima GPU di Advanced Micro Devices, la serie Radeon, si rivolge alla fascia bassa e media del mercato dei gamer.

Con una capitalizzazione di mercato di $236,154 miliardi, le azioni AMD sono attualmente scambiate a $145,21, in calo dello 0,83% dall’inizio dell’anno (YTD). L’azienda ha registrato un fatturato degli ultimi dodici mesi (TTM) di $22,11 miliardi, con EPS (TTM) di 0,13, P/E (TTM) di 1.152,84 e ROE (TTM) di 0,38%.

Conclusione

Quindi, come possiamo vedere, l’industria del carbone sta subendo una trasformazione grazie a scienziati e ricercatori che lavorano per rivelarne il valore e il ruolo creando carbon dots che mostrano proprietà uniche in grado di renderli davvero utili nella prossima generazione di dispositivi elettronici. In questo modo, l’industria del carbone può contribuire a plasmare il futuro delle tecnologie elettroniche in modo sostenibile.