Per la prima volta un gruppo di ricercatori dell’Università del Minnesota Twin Cities ha dimostrato che il minerale di ferro a bassa purezza, molto diffuso nello Stato americano, può essere trasformato in solfuro di ferro di qualità semiconduttore — la cosiddetta pirite, nota anche come “oro degli sciocchi”. Il risultato, pubblicato sulla rivista Physical Review Applied, apre alla possibilità di ottenere un materiale utile all’elettronica senza le costose fasi di purificazione finora ritenute indispensabili. Secondo gli autori, ciò potrebbe tradursi in applicazioni più sostenibili ed economiche per i futuri dispositivi elettronici e per altre tecnologie.
- Per la prima volta la pirite di qualità semiconduttore è stata sintetizzata da minerale di ferro grezzo.
- Il minerale usato proviene dal Mesabi Iron Range, in Minnesota, e non ha richiesto passaggi di purificazione aggiuntivi.
- Le possibili applicazioni includono batterie, pannelli solari, elettronica e depurazione dell’acqua.
La scoperta ribalta un principio consolidato nel campo dei materiali. I semiconduttori sono infatti notoriamente sensibili alle impurità e ai difetti: anche minime contaminazioni possono comprometterne il comportamento elettronico. Proprio per questo, produrre un semiconduttore direttamente da un minerale “sporco”, cioè a bassa purezza, era considerato un obiettivo difficile da raggiungere.
La pirite si è rivelata sorprendentemente tollerante alle impurità
La pirite è un semiconduttore particolare perché assorbe la luce in modo estremamente efficiente ed è composta da elementi abbondanti, non tossici ed economici. Questa combinazione la rende attraente per l’energia pulita, ma la sensibilità tipica dei semiconduttori sembrava escludere l’uso di materie prime grezze.
«Ci siamo resi conto che la pirite non è come un tipico semiconduttore: è sorprendentemente immune alle impurità», ha spiegato Chris Leighton, Distinguished McKnight University Professor nel Dipartimento di ingegneria chimica e scienza dei materiali e autore senior dello studio. «Ci siamo quindi chiesti se avessimo davvero bisogno del materiale ad alta purezza che noi, come tutti, avevamo sempre usato per realizzare la pirite semiconduttrice».
Prelevando campioni direttamente dall’Iron Range del Minnesota, i ricercatori hanno ottenuto pirite di qualità semiconduttore con processi semplici e nessuna fase di purificazione supplementare.
Il minerale più comune del Minnesota è risultato il più adatto
Il gruppo ha testato tre diversi tipi di minerale di ferro. Quello che ha dato i risultati migliori — la taconite di grado Direct Reduced — è anche tra le varietà più comunemente disponibili nello Stato.
«Ci sono molte ragioni per cui si penserebbe che questo non sia possibile», ha aggiunto Leighton. «Ma durante la lavorazione i minerali di ferro a bassa purezza prelevati direttamente dall’Iron Range si sono convertiti facilmente in pirite di qualità semiconduttore, senza passaggi extra. E questo accade per ragioni che ora comprendiamo piuttosto bene».
Perché la ricerca ha un peso economico oltre che scientifico
Il Minnesota è uno dei principali Stati produttori di ferro degli Stati Uniti: da solo copre il 75% del minerale nazionale e genera oltre 4 miliardi di dollari (circa 3,7 miliardi di euro secondo un cambio approssimativo) di entrate annue. La produzione è sostenuta da decenni da risorse naturali come il Mesabi Iron Range, grazie al processo di lavorazione della taconite messo a punto da Edward Wilson Davis proprio all’Università del Minnesota.
In questo quadro, la possibilità di trasformare un minerale abbondante in un materiale per l’elettronica assume un significato particolare: significa che una filiera già esistente potrebbe aprire un nuovo flusso di ricavi, valorizzando una risorsa locale per applicazioni ad alto valore aggiunto. Per il lettore attento alle catene di approvvigionamento dei materiali strategici, un percorso produttivo più economico e meno dipendente da costose raffinazioni potrebbe incidere, in prospettiva, sui costi di alcune tecnologie pulite.
I prossimi passi guardano ai film sottili per i dispositivi
Le possibili applicazioni future spaziano dalle batterie ai pannelli solari, dall’elettronica ai processi di depurazione dell’acqua. Il gruppo intende proseguire testando altri tipi di minerale — disponibili in numerosissimi gradi — e concentrarsi sulla produzione di campioni in film sottile, più adatti ai dispositivi rispetto ai cristalli di pirite in forma massiva.
Al lavoro, oltre a Leighton, hanno partecipato Yeon Lee e Caitlyn Komar del Dipartimento di ingegneria chimica e scienza dei materiali; Jennifer T. Mitchell della Characterization Facility e del Dipartimento di scienze della Terra e dell’ambiente; e Matt Mlinar, Jestos Taguta e George Hudak del Natural Resources Research Institute dell’ateneo.
Credete che valorizzare risorse locali come questo minerale possa cambiare il modo in cui produciamo tecnologie pulite? Diteci la vostra opinione nei commenti.
