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Il futuro delle antenne? Microscopico, e fatto di grafene. Questo quanto emerge da una ricerca condotta da un team di ricercatori del Georgia Institute of Technology e pubblicata sulle pagine della rivista IEEE Journal on Selected Areas in Communications. Antenne costruite in materiali “convenzionali” come il rame non permetterebbero di realizzare “ponti comunicativi” senza fili tra dispositivi di dimensioni altrettanto microscopiche.
La soluzione proposta dal team guidata dal professor Ian Akyildiz, se dovesse trovare applicazione pratica e commerciale, permetterebbe di creare delle reti di polvere interconnessa (o smart dust, come viene definita in inglese) capace di trasmettere onde radio con un dispendio minimo di energia. Grazie a queste proprietà, la polvere interconnessa potrebbe trovare molte applicazioni pratiche: dalla creazione di reti di comunicazione ad alta velocità “diffuse”, semoventi e a basso consumo di energia oppure reti di controllo per ambienti ad alto rischio biologico e chimico.
Grafene mon amour
Il grafene è da molti considerato come il silicio del XXI secolo. Questo materiale, composto da atomi di carbonio, è al centro di numerose ricerche nel campo delle nanotecnologie e dell'hi-tech. A “incuriosire” gli scienziati di mezzo mondo le sue particolari caratteristiche fisiche, che permettono una conduzione elettrica sinora mai registrata in altri materiali.
Anche nel caso delle micro-antenne, la conducibilità elettrica del grafene gioca un ruolo fondamentale. Una volta eccitato con piccole quantità di energia, questo materiale derivato dal carbonio sarebbe percorso da correnti di elettroni capaci di generare un piccolo campo elettromagnetico sulla superficie e, di conseguenza, l'emissione di onde radio. “Crediamo – ammette Akyildiz – che siamo solo all'inizio di una rivoluzione nel campo delle comunicazioni senza fili, che porterà alla creazione di un nuovo paradigma tecnologico e scientifico basato sul grafene”.
Il team del Georgia Tech, infatti, sta conducendo studi su ricetrasmettitori di dimensioni microscopiche e sui protocolli comunicativi da utilizzare tra dispositivi in grado di sfruttare questa nuova tecnologia.
Come funzionano le micro-antenne di grafene
Le nuove antenne sarebbero basate su una rete di atomi di carbonio disposti esagonalmente – riproducendo, quindi, la costruzione fisica di un alveare – grandi non più di pochi micron (pochi milionesimi di metro). Antenne così realizzate potrebbero funzionare anche a frequenze di pochi terahertz, a differenza del limite minimo di circa 150 terahertz richiesti da micro-antenne costruite con materiali più comuni come ad esempio il rame.
Il principio operativo è il seguente: un'onda elettromagnetica diretta perpendicolarmente alla superficie di un foglio di grafene eccita gli elettroni ivi presenti e li induce ad oscillare. Questi elettroni finiscono con l'interagire con quelli del materiale dielettrico sul quale è montato il grafene, producendo un polaritone-plasmone di superficie (surface plasmon-polariton, SPP).
Quando l'antenna entra in risonanza (ovvero quando la lunghezza d'onda generata dall’onda elettromagnetica incidente combacia con quella caratteristica del grafene), l'associazione tra l’oscillazione del polaritone-plasmone di superficie e le onde elettromagnetiche esterne aumenta velocemente, risultando in un trasferimento di energia tra i due.
In fase di ricezione, l'energia si accumula nell’SPP che a sua volta la è disperde all'interno delricetrasmettitore microscopico; in fase di trasmissione, invece, la densità di elettroni di superficie del grafene è modulata in modo da portare alla formazione della polarizzazione plasmonica, la quale assorbe energia dal sistema per poi convertirla in onde elettromagnetiche emesse verso l'esterno.
Comunicazioni più veloci
Potendo operare a frequenze nell'ordine dei terahertz, i dispositivi mobili –dotati di questa tecnologia potranno comunicare a velocità notevolmente maggiori rispetto ad oggi. “Sfruttando la banda di frequenza dei terahertz – nota Akyildiz –, le velocità di comunicazione potrebbero essere accresciute di ben tre ordini di grandezza. Mentre le moderne tecnologie, come l'advanced LTE, garantiscono una velocità in trasferimento dati di 1 gigabit al secondo, l'utilizzo di antenne in grafene potrebbe garantire velocità di trasferimento nell'ordine dei terabit, permettendo di espandere notevolmente le capacità comunicative delle reti senza fili”.
Da non sottovalutare, poi, la possibilità di realizzare dispositivi a minor consumo energetico. Le antenne e i protocolli di comunicazione, infatti, sono tra i maggiori responsabili del consumo di energia elettrica da parte dei dispositivi mobili. Riducendo la quantità di energia necessaria per inviare e ricevere dati, si potrebbero creare smartphone e tablet con batterie più piccole ma dalla durata maggiore rispetto ad oggi.
Le altre applicazioni
Non c'è solo la comunicazione ultra-veloce, nel futuro delle nano-antenne di grafene. Stando all'articolo pubblicato da Akyildiz, infatti, le dimensioni ridottissime di queste antenne, permetterebbero di sviluppare applicazioni nanotecnologiche di nuova concezione.
Potrebbero, ad esempio, essere integrate in nano-dispositivi che controllino lo stato di salute e i parametri vitali di malati lungodegenti. O, ancora, la polvere interconnessa potrebbe creare un network di rilevatori all'interno di ambienti particolarmente esposti a rischi – come laboratori fisici o laboratori chimici – per poter segnalare con maggior velocità e prontezza potenziali rischi per la salute di chi occupa queste strutture.
