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I nanofili conducono la fotocorrente
Fotocopiatrici, rilevatori a infrarossi e ricevitori ottici nei sistemi di telecomunicazione in fibra ottica dipendono tutti da fotoconduttori, materiali che conducono più corrente elettrica se esposti alla luce. Realizzati su scala nanometrica, i fotoconduttori potrebbero portare a una varietà di minuscoli dispositivi optoelettronici potenzialmente utili nelle future generazioni di nanoelettronica, sensori chimici e alla fine fornire indizi sulla fabbricazione di minuscole celle solari.
Ora ricercatori giapponesi, guidati da Takuzo Aida , professore nel dipartimento di chimica e biotecnologia dell'Università di Tokyo, hanno realizzato un fotoconduttore da due diverse molecole organiche che si autoassemblano in lunghi nanotubi cavi. I nanofili non conducono quasi nessuna corrente al buio, ma quando vengono colpiti dalla luce, conducono una corrente 10.000 volte maggiore. Ciò potrebbe portare a nanodispositivi economici che si autoassemblano da una soluzione chimica.
Per realizzare un fotoconduttore, è importante avere una giunzione tra due strati segregati: uno che dona carica e un altro che la accetta. I fotoconduttori realizzati in precedenza non hanno strati donatori e accettori separati a livello nanometrico, afferma Aida. Il nuovo fotoconduttore, che i ricercatori descrivono in questa settimana Scienza , è il primo che fornisce un'eterogiunzione donatore-accettore su scala nanometrica e mostra una proprietà fotoconduttiva, afferma Aida.
I ricercatori creano una soluzione di due molecole organiche, trinitrofluorenone (TNF) ed esabenzocoronene (HBC), in un solvente. Quando espongono questa soluzione a vapori di metanolo a 25 ° C, le molecole organiche si autoassemblano in tubi cavi larghi 16 nanometri. Le pareti dei nanotubi, spesse 3 nanometri, sono costituite da strati di TNF, che fungono da strato che accetta gli elettroni, laminando lo strato HBC donatore di elettroni.
Quando i ricercatori posizionano i fotoconduttori tra gli elettrodi e applicano una tensione, non scorre quasi nessuna corrente. Ma quando illuminati con luce ultravioletta o visibile, i nanofili conducono elettricità. La corrente elettrica sotto l'illuminazione è quattro ordini di grandezza maggiore di quella al buio, dice Aida. Un rapporto on-off così grande è molto importante per le applicazioni optoelettroniche.
In questo momento, la conduttività dei nanofili cambia in risposta alla luce; non assorbono la luce per generare corrente elettrica come fanno le celle solari. Ma la struttura a strati dei nanotubi stabilisce un modello per convertire la luce in elettricità, perché l'interfaccia tra gli strati donatore e accettore può essere pensata come una giunzione p-n, l'unità di base di una cella solare, dice Frank Wurthner , professore di chimica all'Università di Würzburg, in Germania.
Walter Smith , un fisico coinvolto nella ricerca sui fotoconduttori su nanoscala presso l'Haverford College, definisce il nuovo lavoro entusiasmante perché è il primo esempio di un sistema autoassemblante con una separazione ben definita tra gli strati donatore e accettore. Le persone sono in grado di produrre celle solari molto piccole, ma si spera che essere in grado di autoassemblarle riduca i costi di produzione, dice. L'autoassemblaggio offre anche una straordinaria precisione a livello atomico nel posizionamento relativo dei componenti che si collegano insieme per formare una struttura.
Un importante vantaggio del metodo dei ricercatori giapponesi è che le molecole si assemblano spontaneamente quando sono esposte a vapori di metanolo. È importante avere un segnale esterno che attivi l'autoassemblaggio, dice Smith, perché alla fine quando cerchiamo di costruire sistemi più complessi possiamo usare segnali diversi per avviare l'autoassemblaggio di diverse parti del sistema. Il lavoro dei ricercatori giapponesi, aggiunge, è un grande passo avanti verso la comprensione della scienza di base di ciò che guida l'autoassemblaggio.