Il transistor, o dispositivo a semiconduttore, è il componente hardware più importante di qualsiasi circuito elettronico, digitale o analogico e permette il funzionamento di computer, smartphone, smart car e radio portatili. In pratica, un transistor è composto da un materiale semiconduttore – come silicio, germanio e arseniuro di gallio – al quale sono applicati tre terminali che, collegandolo al circuito esterno, gli permettono o di amplificare, in termini di corrente, un segnale in entrata, oppure di agire da vero e proprio interruttore, consentendo o meno il passaggio di corrente.

Ideato e progettato per la prima volta nel 1925 dal fisico e ingegnere Julius Edgar Lilienfeld, il primo prototipo di transistor funzionante venne però messo a punto solo nel 1947. Questo dispositivo venne infatti realizzato all’interno dei laboratori Bell dell’AT&T da tre fisici – Walter H. Brattain, John Bardeen e William Schockley – che nel 1956 ricevettero il Premio Nobel per la Fisica «per le ricerche sui semiconduttori e per la scoperta dell’effetto transistor».

A partire dagli anni ’50, il numero di transistor prodotti nel mondo si è moltiplicato, anche grazie alla loro progressiva miniaturizzazione che ha permesso di produrre dispositivi sempre più leggeri e flessibili, come i tablet e gli smartphone. Si calcola che, ad oggi, ne siano stati prodotti 6 sestilioni e un qualsiasi smartphone ne conta al suo interno qualche miliardo.

La sostituzione dei semiconduttori inorganici, principalmente a base di silicio e germanio, con semiconduttori organici a film sottile, costituiti da polimeri organici, fu proposta alla fine degli anni ‘80. Questi ultimi, sono usati in combinazione a un dielettrico organico, cioè di un materiale isolante il quale, posto a contatto con uno degli elettrodi del dispositivo, si carica e attiva il semiconduttore al trasporto di corrente.

Da qui è nata l’idea di provare a sostituire questi polimeri con la lignina, un biopolimero naturale dalla struttura complessa, ancora non del tutto conosciuta e costituita principalmente da unità fenilpropanoidi che proteggono la pianta dalla degradazione chimica e biologica. Considerato principalmente un materiale di scarto, se ne ottengono grandi quantità dall’industria cartiera durante il processo di de-lignificazione della polpa di cellulosa e si stima che ne vengano prodotte ben 80 milioni di tonnellate all’anno.

Uno dei motivi per cui la struttura della protolignina (ovvero la lignina nativa) è poco nota dipende dal fatto che ogni processo di de-lignificazione, utilizzato per estrarla, produce modifiche strutturali importanti. Dallo studio sulla struttura del polimero isolato e sulle sue prestazioni all’interno del dispositivo, è emersa una relazione che vede implicato il processo di produzione: più le condizioni di estrazione sono severe – quali alte temperature, condizioni estremamente basiche – e più si ottiene una lignina degradata che può interferire con il funzionamento del dispositivo.

Il primo approccio dei ricercatori di Pisa è stato quello di usare come materiale dielettrico una lignina proveniente dal processo kraft, ovvero il processo industriale che estrae la cellulosa dal legno usando come reagente chimico il solfuro di sodio. Si è provato così a produrre un primo prototipo di transistor in cui la lignina funge da dielettrico ed è in grado di attivare i semiconduttori organici.

L’obiettivo, ora, è quello di definire e ottimizzare i processi di estrazione della lignina, rendendoli da una parte più sostenibili a livello ambientale, dall’altro in grado di fornire una lignina di maggiore qualità.

Chissà, magari in futuro la lignina potrebbe diventare il ‘cuore’ del transistor, dando vita a un nuovo capitolo dell’elettronica: in questo modo sarebbe possibile immaginare costi di produzione più bassi e consumi energetici minori.

Al momento, non ci sono reali usi di massa per questo polimero anche se il mondo della ricerca sta cercando di valorizzarla come fonte di materie prime, spiegano i ricercatori, che finora si sono concentrati principalmente su un suo possibile utilizzo nella produzione di sostanze chimiche, di resine e di altri materiali potenzialmente utili.

Molte grazie alla Professoressa associata di Chimica Generale e Inorganica Monica Panigati, Dipartimento di Chimica dell’Università degli Studi di Milano e alle Prof.sse Alessandra Operamolla e Jeannette J. Lucejko e alla dott.ssa Rosarita D’Orsi del Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale dell’Università di Pisa.