I chip elettronici che fanno funzionare praticamente tutto, dai computer agli smartphone, hanno un nemico comune: il calore. Sopra i 200 gradi anche i migliori smettono di lavorare. Se già un agosto torrido sulla Terra può creare problemi, la questione diventa drammatica quando si parla di esplorare pianeti come Venere, dove le temperature in superficie superano i 450 gradi. Dalla University of Southern California (Usc) arriva però qualcosa di davvero interessante: un chip di memoria capace di funzionare perfettamente a temperature superiori ai 700 gradi centigradi, quindi ben oltre la temperatura della lava. Una tecnologia che potrebbe aprire le porte non solo all’esplorazione dei luoghi più bollenti del Sistema solare, ma anche alle profondità della Terra.
Fino a oggi, per far sopravvivere l’elettronica in ambienti estremi, l’unica strada era l’isolamento termico. Le agenzie spaziali hanno dovuto racchiudere i componenti in pesanti contenitori schermati, che però garantivano una sopravvivenza limitata. Le missioni sovietiche Venera, tra gli anni ’70 e ’80, ne sono l’esempio più chiaro: Venera 13, nel 1982, detiene il record di resistenza con appena 127 minuti di operatività prima che il calore distruggesse i circuiti. Anche la Nasa, con missioni come Pioneer Venus, si è scontrata con i limiti dei semiconduttori al silicio, che oltre una certa soglia termica perdono le proprietà elettriche. E non è un problema solo spaziale: lo stesso difetto spinge gli smartphone a spegnersi sotto il sole e rende obbligatori complessi sistemi di raffreddamento nei data center e nei satelliti.
Come è nato questo chip e perché funziona
Il nuovo chip della Usc è descritto in uno studio pubblicato su Science. Si può immaginarlo come un piccolo sandwich: due elettrodi all’esterno e un sottile strato di ceramica nel mezzo. Il segreto sta nei materiali scelti: tungsteno per lo strato superiore (il metallo con il punto di fusione più alto in assoluto), ceramica di biossido di afnio al centro e grafene sul fondo. Tutti materiali che reggono temperature elevatissime senza cedere.
Curiosità: la scoperta è nata per caso. I ricercatori stavano sperimentando con il grafene per costruire tutt’altro dispositivo. Ma una volta messo alla prova, il chip ha mostrato proprietà straordinarie: durante i test di laboratorio è stato sottoposto a cicli termici estremi, continuando a scrivere e leggere dati a 700 gradi per oltre 50 ore.
Il motivo di tanta resistenza è affascinante. Nei dispositivi convenzionali, il calore spinge gli atomi metallici dell’elettrodo superiore a migrare lentamente attraverso lo strato ceramico fino a raggiungere l’elettrodo inferiore. Quando succede, i due lati si collegano in modo permanente e il dispositivo va in cortocircuito. Il grafene però blocca questo fenomeno: il suo rapporto chimico con il tungsteno è paragonabile a quello tra olio e acqua. Gli atomi di tungsteno che raggiungono la superficie del grafene non riescono ad agganciarvisi, migrano altrove e il cortocircuito non si verifica.
Applicazioni concrete e tempi di sviluppo
Dal punto di vista tecnico, il dispositivo è un memristore, una tipologia di memoria non volatile che conserva le informazioni anche senza alimentazione elettrica, modificando la propria resistenza in base alla tensione applicata. Oltre a rendere possibile una nuova generazione di rover per Venere o missioni ravvicinate su Mercurio, questa tecnologia ha ricadute immediate sulla Terra. Potrebbe essere impiegata nelle trivellazioni profonde per l’energia geotermica, dove i sensori devono operare a chilometri di profondità in condizioni di calore estremo, oppure nei motori aeronautici per monitorare i parametri di combustione in tempo reale. Anche nei computer tradizionali, memorie di questo tipo risulterebbero molto più resistenti e durature, riducendo drasticamente i guasti da surriscaldamento.
I ricercatori, però, restano cauti. Una memoria da sola non costituisce un computer completo: servirà sviluppare e integrare anche circuiti logici ad alta temperatura. I prototipi finora sono stati realizzati a mano su scala sub-micrometrica, e portare tutto a livello industriale richiederà parecchio tempo. Joshua Yang, professore di ingegneria elettronica della Usc che ha guidato lo sviluppo, lo ha detto chiaramente: “Questo è il primo passo. La strada è ancora lunga. Ma ora raggiungere l’obiettivo è possibile: il componente mancante è stato creato”.
