Come la scienza dei materiali determinerà il futuro della civiltà umana

Una delle caratteristiche straordinarie della rivoluzione microelettronica è la sua capacità di scalare, una caratteristica catturata dalla legge di Moore. Ciò ha portato a un rapido e massiccio aumento della capacità di calcolo: gli smartphone top di gamma di oggi hanno la potenza di calcolo equivalente ai supercomputer più potenti del mondo dei primi anni '90. Gli smartphone di domani saranno ancora più potenti.

Ma c'è un problema in vista. Man mano che i computer potenti diventano più diffusi, la quantità di energia che consumano aumenterà. Se la legge esponenziale di Moore continua, i dispositivi elettronici consumeranno più della metà del budget energetico del pianeta entro un paio di decenni.

Questo è chiaramente insostenibile. Quindi che si fa?

La struttura del dominio ferroelettrico dell'erbio manganato.

Oggi riceviamo una sorta di risposta da Nicola Spaldin, uno scienziato dei materiali presso l'ETH di Zurigo, in Svizzera. Spaldin sostiene che gli scienziati dei materiali possono salvare il pianeta e la loro soluzione sarà sotto forma di una svolta fondamentale che cambierà il modo in cui pensiamo alla tecnologia dell'informazione e il modo in cui la utilizziamo. Avanza l'argomento - e indica una o due potenziali strade per questa svolta - in un articolo molto divertente.

Spaldin inizia mostrando come la civiltà umana sia stata plasmata dalle scoperte nella scienza dei materiali. La scoperta di materiali compositi come fibre e resina ha permesso agli esseri umani di attaccare le lame ai bastoncini per creare coltelli e asce.

La notevole scoperta delle tecniche di fusione, probabilmente nelle fornaci dell'età della pietra, portò all'età del bronzo e del ferro. Ciò ha causato cambiamenti radicali nell'agricoltura e ha portato alla creazione di città e persino paesi. La tecnologia dei metalli ha anche portato a importanti cambiamenti nella tecnologia delle armi e, infine, circa 4.000 anni dopo, alla rivoluzione industriale.

Successivamente, la scoperta dell'elettrone portò allo sviluppo del tubo a vuoto, del transistor a stato solido e della microelettronica in generale. Il silicio ultrapuro richiesto per l'elettronica moderna è stato inizialmente sviluppato per ricevitori radar ad alta frequenza durante la seconda guerra mondiale.

Ognuna di queste scoperte nella scienza dei materiali ha cambiato il mondo e il modo in cui interagiamo con esso. Ma nessuno di loro era pianificato e molto del modo di vivere che li aveva preceduti andò perso quando si verificarono questi cambiamenti.

Spaldin sostiene che sarà necessario qualcosa di simile per superare la crisi energetica del silicio. Non possiamo continuare con il silicio, quindi cosa lo sostituirà?

Una possibilità potrebbe derivare dalla ricerca di Spaldin sui multiferroici, materiali che hanno proprietà sia ferroelettriche che ferromagnetiche. Di solito, l'unico modo per modificare le proprietà magnetiche di un materiale è con un campo magnetico. Ma Spaldin e altri hanno mostrato come modificare le proprietà magnetiche dei multiferroici con i campi elettrici.

Ciò ha implicazioni significative. Gran parte dell'elaborazione e dell'archiviazione di informazioni basate sul silicio si basa su proprietà magnetiche che devono essere manipolate con campi magnetici. La capacità di farlo in modo più efficiente con i campi elettrici è potenzialmente trasformativa. La sostituzione dei campi magnetici nelle nostre tecnologie esistenti basate sul magnetismo con i campi elettrici offre enormi opportunità di risparmio energetico, miniaturizzazione ed efficienza, afferma.

I multiferroici hanno altre proprietà utili. All'interno di questi materiali, i dipoli ferroelettrici possono allinearsi con orientamenti diversi. I dipoli allineati formano regioni chiamate domini e i confini tra questi domini risultano interessanti.

Spaldin afferma che questi confini formano canali conduttori che possono essere spostati e riorganizzati utilizzando i campi elettrici. Ciò ha una potenziale applicazione in nuove architetture di memoria o di elaborazione delle informazioni, afferma.

La superficie di questi materiali multiferroici ha anche curiose proprietà elettroniche che possono essere manipolate per catalizzare reazioni come la scissione dell'acqua.

I nostri nuovi materiali multiferroici sono pronti per abilitare nuovi paradigmi di dispositivi e, a loro volta, modi completamente nuovi di progettare tecnologie, afferma. Forse stiamo per entrare in una nuova era multiferroica?

La nostra dipendenza dal silicio sarebbe finita e invece dipenderemo da un'industria che produce manganato di erbio o manganato di ittrio o ferrite di bismuto e una nuova generazione di dispositivi di elaborazione delle informazioni ad alta efficienza energetica.

Spaldin non trattiene il respiro. Ci sono molti fattori che determinano il futuro della tecnologia e non c'è modo di prevedere come andranno a finire. La multiferroica è una possibilità ma ce ne sono sicuramente molte altre.

E questo è il suo punto principale. Quella storia mostra chiaramente che il futuro a lungo termine non è mai una semplice estrapolazione dell'oggi. Invece, le idee dirompenti cambiano il mondo. E la chiave è creare un ambiente in cui questa interruzione possa verificarsi.

Tuttavia, l'idea che gli scienziati dei materiali creeranno questa rivoluzione è alquanto ironica. Saranno, ovviamente, i fisici a svolgere il lavoro importante (tosse).

Conclude la sua discussione con un appello appassionato a governi, agenzie di finanziamento e amministratori universitari.

Le vere scoperte che cambieranno il corso della storia non verranno da iniziative per migliorare materiali o dispositivi esistenti, o per far avanzare tecnologie che sono già state identificate, dice. Al contrario, proverranno da individui insoliti o piccoli team di ricercatori fondamentali che spingono i confini della conoscenza in direzioni per le quali non esiste ancora un'applicazione.

In altre parole, la ricerca fondamentale ripagherà in dollari d'argento, se coltivata con cura.

Rif: arxiv.org/abs/1708.01325 : Ricerca sui Materiali Fondamentali e Corso di Civiltà Umana

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