È una delle maggiori sfide intellettuali poste dalla termodinamica e avrà ricadute sul progresso delle Ict e sull’efficienza nella produzione di energia elettrica. Il progetto di ricerca “Termodinamica Ultra-veloce alla Nano scala (Ultranano)” è risultato vincitore nell’ambito del bando “Futuro in ricerca 2013 (Firb)” e avrà come capofila l’Università Cattolica e la Scuola Normale di Pisa partner associata. Un finanziamento da mezzo milione di euro bandito dal ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca con lo scopo di favorire l’eccellenza nella ricerca di base e un quadro di ricambio generazionale negli atenei e gli enti pubblici di ricerca per rafforzare le basi scientifiche nazionali anche in vista di una più efficace partecipazione alle iniziative europee di ricerca, in particolar modo connesse al programma Horizon 2020.

Destinatari sono giovani ricercatori di età non superiore ai 40 anni. Fra questi figura anche Francesco Banfi (nella foto), da anni attivo nel dipartimento di Fisica della sede di Brescia della Cattolica, che grazie a questo contributo, potrà avviare un nuovo ambito di ricerca reclutando ricercatori e portando fondi all’ateneo.

«Il progetto si occuperà del trasferimento di calore alla nanoscala, la più rilevante sfida dalla termodinamica anche dal punto di vista delle potenziali applicazioni - spiega Banfi -. Le ricadute applicative avranno un impatto tecnologico e socio-economico nei settori delle telecomunicazioni e in quello energetico, in linea con gli obiettivi di Horizon2020. Capire i meccanismi che governano il trasporto termico alla nanoscala potrebbe consentire lo sviluppo di nuovi materiali finalizzati al recupero del calore dissipato, definire nuovi schemi di “thermal management” volti ad aumentare la dissipazione di calore nei circuiti elettronici».

Possiamo fare degli esempi? Nell’Information and Communication Technology (Ict) il progresso è basato sul raddoppio del numero di transistori nei circuiti integrati ogni due anni (legge di Moore). Un simile incremento non è più sostenibile, e una delle cause principali è legata a problematiche di dissipazione termica alla nanoscala. Al crescere della densità di transistori in un circuito integrato cresce anche la densità di calore che deve essere dissipata. La comprensione dei processi di trasferimento di energia alla nanoscala è il prerequisito per aumentare la dissipazione di calore nei dispositivi di prossima generazione. Il conseguimento di tale obiettivo permetterà un’ulteriore diminuzione delle dimensioni dei dispositivi, comportando un aumento di densità di informazione per euro, di risparmio energetico, e una riduzione dell’impatto ambientale.

Altre ricadute? Nel settore energetico. Circa il 90% della elettricità nel mondo è generata da energia sottoforma di calore. Tipicamente l’efficienza di conversione è dell’ordine del 30%, con conseguente dissipazione di circa 10 teraWatt di potenza verso l’ambiente. Queste considerazioni guidano gli sforzi della ricerca nel campo dei materiali termoelettrici. Questi convertono il calore in elettricità e permetterebbero il recupero di parte del calore che attualmente si dissipa nell’ambiente.

In che modo si concretizzerà la collaborazione con la Scuola Normale di Pisa? Nell’ambito del progetto Ultranano l’Università Cattolica svilupperà l’ambito modellistico ed eseguirà gli esperimenti sui nano-sistemi sviluppati e realizzati presso il laboratorio National Enterprise for nanoScience and nanoTechnology (Nest) della Scuola Normale Superiore di Pisa. La sinergia tra il laboratorio i-Lamp del nostro ateneo, laboratorio con una reputazione di primo ordine nelle spettroscopie ottiche ultraveloci, e del laboratorio Nest della Scuola Normale è stato un elemento premiante. Una collaborazione che costituisce un asset strategico che potrà avrà ricadute oltre i limiti temporali del progetto».

Verranno coinvolti anche altri laureati della facoltà? I laureandi avranno la possibilità di lavorare nell’ambito del progetto e di essere esposti a esperienze diverse da quelle tradizionalmente offerte dalla facoltà sia grazie all’apporto di un post-doc teorico da reclutare sui fondi del progetto, sia grazie alla possibilità di compiere esperienze presso l’istituzione partner. Il prototipo di strumento sviluppato per le finalità del progetto ha coinvolto diversi laureandi sia triennali (Adalberto Canteri, Fabio Medeghini, Andrea Ronchi) che specialistici (Andrea Sterzi).