211service.com
Samoorganizujące się nanostruktury
Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley znaleźli łatwy sposób na stworzenie złożonej nanostruktury składającej się z maleńkich pręcików wysadzanych nanokryształami. Nowa metoda syntezy samoorganizacji może prowadzić do skomplikowanych nanomateriałów do bardziej wydajnych ogniw słonecznych i tańszych urządzeń do bezpośredniego przekształcania ciepła w energię elektryczną.
Nie wymaga montażu: Nanopręciki siarczku kadmu z kropkami kwantowymi siarczku srebra (ciemne plamy) tworzą się automatycznie, gdy badacze mieszają ze sobą odpowiednie wyjściowe substancje chemiczne.
W strukturach wszystkie kropki kwantowe są mniej więcej tej samej wielkości i są rozmieszczone równomiernie wzdłuż prętów – wyczyn, który w przeszłości wymagał specjalnych warunków, takich jak próżnia, a naukowcy dokładnie kontrolowali rozmiar i odstępy między różnymi materiałami. Paweł Alivisatos , profesor chemii i materiałoznawstwa w Berkeley, który kierował pracami. W przeciwieństwie do tego, Alivisatos po prostu miesza razem odpowiednie materiały wyjściowe w roztworze; materiały te następnie układają się w uporządkowaną strukturę.
Takie techniki przetwarzania roztworu mogą prowadzić do metod produkcji, w których materiały, takie jak te stosowane w ogniwach słonecznych, są drukowane na arkuszach ciągłych, co obniża koszty w porównaniu z innymi metodami. Za każdym razem, gdy robisz coś w roztworze, a nie w próżni, staje się to o wiele łatwiejsze i tańsze, mówi Moungi Bawendi , profesor chemii na MIT, który nie był zaangażowany w tę pracę.
Aby zrobić pręciki, Alivisatos miesza kombinację metanolu i soli srebra w roztworze, który już zawiera nanopręty siarczku kadmu. Jony kadmu mają silne powinowactwo do metanolu. W rezultacie podczas mieszania materiałów metanol wyciąga kadm z nanoprętów. Jony srebra następnie wypełniają wolne miejsca pozostawione przez kadm, tworząc obszary siarczku srebra w pręcie. Jednocześnie różnice w strukturze krystalicznej pręcików z siarczku kadmu i kropek kwantowych z siarczku srebra regulują wielkość i rozmieszczenie kropek. Po raz pierwszy takie różnice zostały wykorzystane do kontroli samoorganizacji materiałów w roztworze.
Pręty nabijane nanokryształami mogą okazać się przydatne w ogniwach słonecznych i urządzeniach termoelektrycznych, które przekształcają ciepło bezpośrednio w energię elektryczną. Na przykład w konwencjonalnych ogniwach słonecznych każdy foton generuje tylko jeden elektron. Jednak niektóre rodzaje kropek kwantowych przekształcają pojedyncze fotony w wiele elektronów, co może ponad dwukrotnie zwiększyć wydajność ogniw słonecznych. (Patrz Krzem i Słońce .) Problem polega na wychwyceniu tych elektronów w celu wytworzenia prądu elektrycznego. Osadzanie kropek kwantowych w prętach z innego materiału może pomóc w rozwiązaniu tego problemu, mówi Alivisatos. Kropki kwantowe pochłaniałyby światło, podczas gdy inny materiał przechwytywałby elektrony generowane przez kropki.
Podobna konfiguracja jest obiecująca dla termoelektryków, urządzeń bezpośrednio przekształcających ciepło w energię elektryczną. Naprzemienne struktury krystaliczne w nanoprętach mogą blokować przenoszenie ciepła, jednocześnie umożliwiając przechodzenie elektronów – dwie kluczowe cechy takich urządzeń.
Po zademonstrowaniu nowej metody wytwarzania struktur Alivisatos i jego koledzy zaczynają badać potencjalne właściwości fotoelektryczne i termoelektryczne materiałów. Prawdopodobnie będą musieli zwrócić się do różnych związków, takich jak siarczek miedzi i siarczek kadmu – połączenie, które było używane w przeszłości w ogniwach słonecznych, mówi Alivisatos. Nie ma jednak gwarancji, że te materiały utworzą te same uporządkowane struktury, ani że będą one działać tak, jak mają nadzieję naukowcy.
Nawet jeśli te konkretne struktury nie okażą się kluczem do tanich, wysokowydajnych ogniw słonecznych, nowa metoda samodzielnego montażu nanostruktur może zainspirować nowe materiały, które są. Bawendi podkreśla potrzebę kontynuowania takich podstawowych badań, aby rozwiązać dzisiejsze problemy energetyczne. Nie wiemy, jakie będzie rozwiązanie, mówi. Ale jeśli tworzymy wysokiej jakości, dokładnie opisane materiały, tak jak zrobił to Alivisatos, niektóre z nich mogą być odpowiedzią, mówi Bawendi.