L’Elettrocromismo

Il futuro è già qui. Lo stiamo preparando da anni, modellandolo per adattarsi a centinaia di possibili scenari, a statistiche e imprevisti.
E il tempo che stiamo vivendo, è stato il futuro di altri: fare ricerca significa lavorare sul limite, spostare in là di qualche centimetro la frontiera del quotidiano.
Come cambieranno le nostre città, per salvaguardare preziose riserve di acqua ed energia? Come invecchieremo? Quali risposte avremo di fronte a terremoti e alluvioni?
Per quanto imponenti sembrino queste domande, stiamo cercando le risposte proprio nei più piccoli componenti della materia: stiamo costruendo ragnatele di atomi.

Smart Windows
Smart Windows

I nuovi materiali sono già tra noi, ma diventeranno sempre più importanti a mano a mano che le loro proprietà saranno stabilizzate e che altre ne saranno scoperte.
Li chiamiamo materiali intelligenti – SMART Materials.
Ma cosa li rende così speciali?
Gli SMART Materials sono stati disegnati per permettere la variazione controllata di una proprietà a fronte di uno stimolo esterno. Luce, temperatura, pH o campo elettromagnetico influenzano in modo reversibile elasticità, colore e così via.
Nelle prossime settimane impareremo a conoscerne alcuni: oggi parleremo di sistemi cromogenici.

In una giornata fredda e ventosa, i vostri occhi iniziano a lacrimare. È la risposta del nostro corpo a uno stimolo esterno: allo stesso modo, nei sistemi cromogenici una variazione improvvisa di potenziale elettrico, temperatura o luminosità determina un cambiamento di colore.
Le possibili applicazioni sono svariate: dai famosi occhiali che si scuriscono passando da un ambiente buio a uno luminoso (fotocromismo), alla bambola che cambia colore d’abito passando da acqua fredda a calda (termocromismo), fino alle cosiddette finestre intelligenti, studiate per valorizzare al massimo la luce naturale e diminuire il consumo di energia elettrica.

Il loro funzionamento si basa sul fenomeno dell’elettrocromismo, definito come la variazione ottica reversibile di un sistema (contenente specie organiche o inorganiche), indotta per applicazione di un voltaggio esterno.
Tra i materiali elettrocromici troviamo principalmente ossidi di metalli di transizione (W, V, Mo, Nb, Ti, Ni, Co e Ir), piccole molecole organiche e polimeri coniugati.
Nel primo caso, l’elettrocromismo non è intrinseco alla molecola, ma è garantito dall’ingresso all’interno del reticolo cristallino di cationi (idrogeno o metalli alcalini) in grado di ridurre l’ossido. L’ossido intercalato presenta bande di assorbimento nello spettro del visibile – cioè, appare colorato, ma soltanto fintanto che un potenziale positivo è applicato. Quando questo potenziale viene meno, gli atomi interstiziali abbandonano il reticolo, e l’ossido torna del suo colore originale.
Nel secondo caso, l’applicazione di un potenziale elettrico riduce la molecola organica, trasformandola in un radical-catione stabile e dal colore brillante.
Sono però i polimeri coniugati (derivati di politiofeni, polipirrolo e polianilina) a essere i più popolari, grazie al loro breve tempo di risposta e alla facilità di sintesi anche in grandi quantità. In queste specie l’ossidazione e riduzione elettrochimica comporta l’inserzione reversibile di ioni, corrispondente a un doping di tipo p o di tipo n. Questo modifica la struttura elettronica del polimero, e crea percorsi energetici preferenziali per le transizioni tra banda di valenza e di conduzione: i trasportatori di carica che si formano sono perciò i responsabili della modulazione ottica.

I vetri elettrocromici possono essere applicati anche negli aerei per proteggere i passeggeri dai raggi UV
Potenziale applicazione nei finestrini degli aerei per proteggere i passeggeri dai raggi UV

Noti i principi che regolano il fenomeno, è facile modificare le proprietà delle specie elettrocromiche per adattarle agli utilizzi più svariati. Per esempio, è possibile influenzare la posizione delle bande del polimero originale, adattandolo a radiazioni ultraviolette o infrarosse. Altri sistemi possono essere modificati in modo da fornire una serie di stati – e quindi di gradazioni.
Così, i nuovi elettrocromici utilizzati nei finestrini degli aerei potranno proteggerci dai pericolosi raggi UV durante viaggi intercontinentali. Oppure, potremmo sostituire le tende delle docce con un vetro che si offuschi con un breve impulso elettrico. O ancora, creare vetrate che cambino colore per adattarsi al nostro umore (o al colore del nuovo tappeto).
Una cosa è certa: il futuro non è mai stato così colorato!

Per saperne di più:
Argun, A. et alia (2004), “Multicolored Electrochromism in Polymers: Structures and Devices”. Chemistry of Materials 16 (23): 4401-4412.

Per vederlo in azione:

Informazioni su Sephira Riva 1 Articolo
Laureata in Chimica e Scienze Chimiche presso l'Università degli Studi di Milano, è dottoranda in Ingegneria dei Materiali presso Swansea University (UK). Impegnata in attività di avvicinamento alla scienza su territorio gallese, è anche appassionata di scrittura e viaggi.

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