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Nanostrutture autoassemblanti
I ricercatori dell'Università della California, Berkeley, hanno trovato un modo semplice per creare una complessa nanostruttura costituita da minuscole aste tempestate di nanocristalli. Il nuovo metodo di sintesi dell'autoassemblaggio potrebbe portare a nanomateriali complessi per celle solari più efficienti e dispositivi meno costosi per convertire direttamente il calore in elettricità.
Nessun assemblaggio richiesto: Nanorod di solfuro di cadmio con punti quantici di solfuro d'argento (macchie scure) si formano automaticamente quando i ricercatori mescolano insieme le giuste sostanze chimiche di partenza.
Nelle strutture, i punti quantici hanno tutti più o meno le stesse dimensioni e sono distanziati uniformemente lungo le aste, un'impresa che in passato richiedeva condizioni speciali come il vuoto, con i ricercatori che controllavano attentamente le dimensioni e la spaziatura dei diversi materiali, afferma Paul Alivisatos , il professore di chimica e scienza dei materiali a Berkeley che ha guidato il lavoro. Al contrario, Alivisatos mescola semplicemente i materiali di partenza appropriati in una soluzione; questi materiali poi si dispongono nella struttura ordinata.
Tali tecniche di elaborazione della soluzione possono portare a metodi di produzione in cui i materiali, come quelli utilizzati nelle celle solari, vengono stampati su fogli continui, riducendo i costi rispetto ad altri metodi. Ogni volta che fai qualcosa in soluzione, piuttosto che nel vuoto, diventa molto più facile ed economico, dice Moungi Bawendi , un professore di chimica al MIT che non era coinvolto in questo lavoro.
Per realizzare i bastoncini, Alivisatos mescola una combinazione di metanolo e un sale d'argento in una soluzione che contiene già nanotubi di solfuro di cadmio. Gli ioni cadmio hanno una forte affinità per il metanolo. Di conseguenza, quando i materiali vengono miscelati, il metanolo estrae il cadmio dai nanotubi. Gli ioni d'argento riempiono quindi i punti vuoti lasciati dal cadmio, formando aree di solfuro d'argento all'interno dell'asta. Allo stesso tempo, le differenze nelle strutture cristalline delle aste di solfuro di cadmio e dei punti quantici di solfuro d'argento regolano la dimensione e la spaziatura dei punti. Questa è la prima volta che tali differenze vengono utilizzate per controllare l'autoassemblaggio dei materiali in soluzione.
Le aste tempestate di nanocristalli potrebbero rivelarsi utili per celle solari e dispositivi termoelettrici che convertono il calore direttamente in elettricità. Ad esempio, nelle celle solari convenzionali, ogni fotone genera solo un singolo elettrone. Ma alcuni tipi di punti quantici convertono singoli fotoni in più elettroni, il che potrebbe più che raddoppiare l'efficienza delle celle solari. (Vedi Silicio e Sole.) Il problema è stato catturare quegli elettroni per creare una corrente elettrica. Incorporare punti quantici all'interno di barre di un altro materiale potrebbe aiutare a risolvere questo problema, afferma Alivisatos. I punti quantici assorbirebbero la luce, mentre l'altro materiale catturerebbe gli elettroni generati dai punti.
Una configurazione simile è promettente per i termoelettrici, dispositivi che convertono direttamente il calore in elettricità. Le strutture cristalline alternate nei nanotubi potrebbero bloccare il trasferimento di calore consentendo il passaggio degli elettroni, due caratteristiche chiave di tali dispositivi.
Dopo aver dimostrato il nuovo metodo per realizzare le strutture, Alivisatos ei suoi colleghi stanno iniziando a studiare le potenziali proprietà fotoelettriche e termoelettriche dei materiali. Probabilmente dovranno ricorrere a composti diversi, come il solfuro di rame e il solfuro di cadmio, una combinazione che è stata utilizzata in passato per le celle solari, afferma Alivisatos. Non c'è alcuna garanzia, tuttavia, che questi materiali formeranno le stesse strutture ordinate, o addirittura che le strutture funzioneranno come sperano i ricercatori.
Anche se queste particolari strutture non si rivelano la chiave per celle solari a basso costo e alta efficienza, il nuovo metodo di autoassemblaggio per realizzare nanostrutture potrebbe ispirare nuovi materiali. E Bawendi sottolinea la necessità di continuare la ricerca di base come questa per risolvere i problemi energetici di oggi. Non sappiamo quale sarà la soluzione, dice. Ma se creiamo materiali di alta qualità e accuratamente descritti come ha fatto Alivisatos, alcuni di essi potrebbero essere la risposta, afferma Bawendi.