Così la ceramica trasparente riduce l’impatto ambientale dell’economia digitale

A livello globale, nel 2024 si stima che i data center, fondamentali per tutte le tecnologie che usiamo ogni giorno, abbiano consumato circa l’1,45% dell’elettricità mondiale, pari al fabbisogno energetico di intere nazioni. Per questo la ricerca internazionale è sempre più focalizzata sullo sviluppo di componenti più efficienti, che dissipano meno energia sotto forma di calore. Se i componenti scaldano meno, i server hanno bisogno di minore quantità di aria condizionata, che è una delle voci di spesa energetica più alte. E se la ceramica trasparente – materiale già usato in ambito medico e scientifico – fosse usata per ridurre il consumo energetico applicandola alle varie tecnologie di comunicazione?

A differenza delle ceramiche tradizionali che sono opache, per cui non lasciano filtrare la luce, quella trasparente è composta da materiali di alta purezza come lo zaffiro sintetico, è molto dura, più resistente a graffi ed urti, pur consentendo il passaggio della luce in modo più simile al vetro. Inoltre sopporta meglio sostanze chimiche aggressive.

Da qui uno studio internazionale che ha indagato le peculiarità della ceramica trasparente nel controllo della luce, che potrebbe essere applicata alla produzione di tecnologie più veloci, più piccole e più efficienti dal punto di vista energetico, utilizzate nelle comunicazioni ad alta velocità, nell’imaging medico e nella sensoristica. Una scoperta che apre prospettive nuove per la sostenibilità e la riduzione dell’impatto ambientale delle infrastrutture digitali.

La ricerca è partita – come spesso accade – dal tentativo di risolvere un enigma scientifico. Alcune ceramiche ferroelettriche, cioè che possono polarizzarsi elettricamente in modo spontaneo, rese completamente trasparenti grazie a determinate tecniche di produzione, hanno mostrato eccellenti proprietà elettro-ottiche. Semplificando: l’elettricità viene usata come un “regolatore” della luce, può modificare il modo in cui la lascia passare, diventando più o meno trasparente, cambiando colore o deviando il percorso della luce. Proprietà molto utili in dispositivi come schermi, laser, fibre ottiche e sensori, dove attualmente sono usati cristalli singoli, come il niobato di litio. Ma la ceramica trasparente costa meno ed è più facile da produrre su larga scala, solo che fino a pochi anni fa, il grande limite era proprio la trasparenza. Le minuscole imperfezioni interne della ceramica, infatti, tendevano a diffondere la luce, ma non a lasciarla passare in modo fluido.

Per indagarne le ragioni un ricercatore in scienza dei materiali alla Queen Mary University of London, ha coinvolto Zi-Kui Liu, docente alla Penn State University, oltre che teorico noto in ambito accadimento per aver sviluppato una nuova visione dell’entropia chiamata “zentropy”: una teoria che unisce meccanica quantistica, termodinamica e meccanica statistica per descrivere sistemi in cui gli atomi non sono affatto statici, ma fluttuano e si riorganizzano continuamente. Infatti, nessuna delle teorie tradizionali utilizzate nella comunità dei ricercatori riusciva a spiegare risultati così eccezionali nel controllo della luce. Analizzando il materiale a livello atomico con microscopi elettronici ad altissima risoluzione hanno scoperto strutture estremamente rapide nel rispondere a un campo elettrico, tanto da riuscire a seguire le oscillazioni velocissime della luce.

Nelle telecomunicazioni, la velocità di risposta equivale ad un minor consumo di energia per bit trasmesso. Motivo per cui le implicazioni per la sostenibilità sono rilevanti. Queste nuove ceramiche consentirebbero non solo di realizzare componenti più piccoli, ma anche più veloci e meno energivori. In un mondo in cui il traffico internet, le reti in fibra ottica crescono in modo esponenziale, ogni miglioramento di efficienza si traduce in un risparmio energetico globale, che contribuirebbe a ridurre il peso ambientale dell’economia digitale, visto che tecnologie di comunicazione più efficienti significano meno dissipazione di calore, minori necessità di raffreddamento nei data center e un uso più razionale delle risorse energetiche.

A livello globale, nel 2024 si stima che i data center, fondamentali per tutte le tecnologie che usiamo ogni giorno, abbiano consumato circa l’1,45% dell’elettricità mondiale, pari al fabbisogno energetico di intere nazioni. Per questo la ricerca internazionale è sempre più focalizzata sullo sviluppo di componenti più efficienti, che dissipano meno energia sotto forma di calore. Se i componenti scaldano meno, i server hanno bisogno di minore quantità di aria condizionata, che è una delle voci di spesa energetica più alte. E se la ceramica trasparente – materiale già usato in ambito medico e scientifico – fosse usata per ridurre il consumo energetico applicandola alle varie tecnologie di comunicazione?

A differenza delle ceramiche tradizionali che sono opache, per cui non lasciano filtrare la luce, quella trasparente è composta da materiali di alta purezza come lo zaffiro sintetico, è molto dura, più resistente a graffi ed urti, pur consentendo il passaggio della luce in modo più simile al vetro. Inoltre sopporta meglio sostanze chimiche aggressive.

Da qui uno studio internazionale che ha indagato le peculiarità della ceramica trasparente nel controllo della luce, che potrebbe essere applicata alla produzione di tecnologie più veloci, più piccole e più efficienti dal punto di vista energetico, utilizzate nelle comunicazioni ad alta velocità, nell’imaging medico e nella sensoristica. Una scoperta che apre prospettive nuove per la sostenibilità e la riduzione dell’impatto ambientale delle infrastrutture digitali.

La ricerca è partita – come spesso accade – dal tentativo di risolvere un enigma scientifico. Alcune ceramiche ferroelettriche, cioè che possono polarizzarsi elettricamente in modo spontaneo, rese completamente trasparenti grazie a determinate tecniche di produzione, hanno mostrato eccellenti proprietà elettro-ottiche. Semplificando: l’elettricità viene usata come un “regolatore” della luce, può modificare il modo in cui la lascia passare, diventando più o meno trasparente, cambiando colore o deviando il percorso della luce. Proprietà molto utili in dispositivi come schermi, laser, fibre ottiche e sensori, dove attualmente sono usati cristalli singoli, come il niobato di litio. Ma la ceramica trasparente costa meno ed è più facile da produrre su larga scala, solo che fino a pochi anni fa, il grande limite era proprio la trasparenza. Le minuscole imperfezioni interne della ceramica, infatti, tendevano a diffondere la luce, ma non a lasciarla passare in modo fluido.

Per indagarne le ragioni un ricercatore in scienza dei materiali alla Queen Mary University of London, ha coinvolto Zi-Kui Liu, docente alla Penn State University, oltre che teorico noto in ambito accadimento per aver sviluppato una nuova visione dell’entropia chiamata “zentropy”: una teoria che unisce meccanica quantistica, termodinamica e meccanica statistica per descrivere sistemi in cui gli atomi non sono affatto statici, ma fluttuano e si riorganizzano continuamente. Infatti, nessuna delle teorie tradizionali utilizzate nella comunità dei ricercatori riusciva a spiegare risultati così eccezionali nel controllo della luce. Analizzando il materiale a livello atomico con microscopi elettronici ad altissima risoluzione hanno scoperto strutture estremamente rapide nel rispondere a un campo elettrico, tanto da riuscire a seguire le oscillazioni velocissime della luce.

Nelle telecomunicazioni, la velocità di risposta equivale ad un minor consumo di energia per bit trasmesso. Motivo per cui le implicazioni per la sostenibilità sono rilevanti. Queste nuove ceramiche consentirebbero non solo di realizzare componenti più piccoli, ma anche più veloci e meno energivori. In un mondo in cui il traffico internet, le reti in fibra ottica crescono in modo esponenziale, ogni miglioramento di efficienza si traduce in un risparmio energetico globale, che contribuirebbe a ridurre il peso ambientale dell’economia digitale, visto che tecnologie di comunicazione più efficienti significano meno dissipazione di calore, minori necessità di raffreddamento nei data center e un uso più razionale delle risorse energetiche.