Le batterie convenzionali, usate nel campo dell'elettronica portatile, sono inadatte a fornire potenza in volumi sempre piú piccoli mantenendo la carica per tempi lunghi. Una possibile soluzione per superare queste difficoltà è rappresentata dalle celle a combustibile. Rispetto alle batterie convenzionali le celle a combustibile sono in grado di fornire una piú alta densità di energia a parità di peso. Esse sono realizzate utilizzando un materiale elettrolita, generalmente una membrana polimerica per lo scambio protonico, incapsulato tra due elettrodi. La cella funziona quando l'idrogeno è trasportato verso uno dei due elettrodi, mentre l'ossigeno fluisce verso l'elettrodo opposto. Riscaldando la struttura elettrodo-elettrolita il combustibile e l'ossigeno, incontrando il materiale catalitico, innescano reazioni chimiche con produzione di elettroni liberi raccolti in un circuito esterno, mentre gli ioni, fluendo attraverso la membrana, formano acqua nelle vicinanze di uno degli elettrodi.
La Sezione di Catania dell'IMM ha dimostrato che è possibile integrare all'interno di un chip microelettronico la complessa struttura di una micro-fuel-cell, utilizzando processi di microlavorazione del silicio pienamente compatibili con le tecnologie microelettroniche standard.
Siamo partiti da una struttura molto originale che è quella riportata nello schematico di Figura 1.
Le tecnologie sviluppate partono dalla realizzazione dei microcanali per la distribuzione uniforme del combustibile e dell'ossigeno. Tale processo, coperto da brevetto, è basato sulla creazione di profonde insenature verticali nel silicio (deep trenches) seguita da attacchi chimici anisotropi che formano il microcanale lungo piani cristallografici ben definiti del reticolo cristallino del silicio. Il microcanale viene sepolto mediante la deposizione successiva di altro silicio, senza difetti e con la stessa orientazione cristallografica del substrato di partenza (Figura 2). A questo punto, attraverso opportuni processi fotolitografici, vengono deposte sulla superficie del silicio, tra un microcanale e il successivo, delle piste in oro che serviranno per prelevare la corrente elettrica generata e trasferirla al circuito esterno. L'integrazione della membrana polimerica per lo scambio protonico avviene dopo avere trasformato, con specifici processi elettrochimici, il silicio sovrastante ciascun microcanale in una struttura porosa, con pori verticali del diametro di qualche decina di nanometri (Figura 3).
Dentro questa struttura porosa, ancora attraverso processi elettrochimici, vengono collocati i cluster di metalli catalitici (Pt o Ru), responsabili delle reazioni di ossido-riduzione che producono le cariche elettriche libere. Soltanto a questo punto tutta la struttura viene impregnata con la membrana polimerica per lo scambio protonico. Essa pervade per intero lo spessore di silicio poroso raggiungendo i cluster catalitici, completando così la fabbricazione di un intero semielemento della micro-fuel-cell.
I risultati ottenuti ci consentono di occupare oggi una posizione estremamente competitiva nel panorama scientifico internazionale e la rivista britannica Fuel Cell Bulletin ha dedicato ampio spazio al lavoro dei ricerctori dell'IMM nel numero di aprile 2003.
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