211service.com
Zelfassemblerende nanostructuren
Onderzoekers van de University of California, Berkeley, hebben een eenvoudige manier gevonden om een complexe nanostructuur te maken die bestaat uit kleine staafjes die zijn bezaaid met nanokristallen. De nieuwe zelfassemblage-synthesemethode zou kunnen leiden tot ingewikkelde nanomaterialen voor efficiëntere zonnecellen en goedkopere apparaten om warmte direct om te zetten in elektriciteit.
Geen montage vereist: Nanostaafjes van cadmiumsulfide met zilversulfide-kwantumdots (donkere vlekken) vormen automatisch wanneer onderzoekers de juiste uitgangschemicaliën met elkaar mengen.
In de structuren zijn de kwantumstippen allemaal ongeveer even groot en zijn ze gelijkmatig verdeeld over de staven - een prestatie die in het verleden speciale omstandigheden vereiste, zoals een vacuüm, waarbij onderzoekers de grootte en afstand van verschillende materialen zorgvuldig controleerden, zegt Paul Alivisatos , de professor in de chemie en materiaalkunde aan Berkeley die het werk leidde. Daarentegen mengt Alivisatos eenvoudigweg de juiste uitgangsmaterialen in een oplossing; deze materialen rangschikken zich vervolgens in de geordende structuur.
Dergelijke oplossingsverwerkingstechnieken kunnen leiden tot fabricagemethoden waarbij materialen, zoals die in zonnecellen worden gebruikt, op doorlopende vellen worden gedrukt, waardoor de kosten dalen in vergelijking met andere methoden. Elke keer dat je iets in oplossing maakt, in plaats van in een vacuüm, wordt het een stuk eenvoudiger en goedkoper, zegt Moungi Bawendi , een scheikundeprofessor aan het MIT die niet bij dit werk betrokken was.
Om de staafjes te maken, mengt Alivisatos een combinatie van methanol en een zilverzout tot een oplossing die al cadmium-sulfide nanostaafjes bevat. Cadmiumionen hebben een sterke affiniteit voor methanol. Als gevolg hiervan trekt de methanol bij het mengen van de materialen cadmium uit de nanostaafjes. Zilverionen vullen dan de lege plekken op die door het cadmium zijn achtergelaten en vormen gebieden met zilversulfide in de staaf. Tegelijkertijd regelen verschillen in de kristallijne structuren van de cadmiun-sulfidestaven en de zilversulfide-kwantumstippen de grootte en afstand van de stippen. Dit is de eerste keer dat dergelijke verschillen zijn gebruikt om de zelfassemblage van materialen in oplossing te beheersen.
De met nanokristallen bezaaide staven kunnen nuttig zijn voor zonnecellen en thermo-elektrische apparaten die warmte direct omzetten in elektriciteit. In conventionele zonnecellen genereert bijvoorbeeld elk foton slechts één enkel elektron. Maar bepaalde soorten kwantumstippen zetten enkele fotonen om in meerdere elektronen, wat de efficiëntie van zonnecellen meer dan zou kunnen verdubbelen. (Zie Silicium en Zon.) Het probleem was het vangen van die elektronen om een elektrische stroom te creëren. Het inbedden van kwantumstippen in staafjes van een ander materiaal zou dit probleem kunnen verhelpen, zegt Alivisatos. De quantum dots zouden het licht absorberen, terwijl het andere materiaal de elektronen zou opvangen die de dots genereren.
Een vergelijkbare configuratie is veelbelovend voor thermo-elektriciteit, apparaten die warmte direct omzetten in elektriciteit. De afwisselende kristalstructuren in de nanostaafjes zouden de overdracht van warmte kunnen blokkeren en tegelijkertijd elektronen doorlaten - twee belangrijke kenmerken van dergelijke apparaten.
Alivisatos en zijn collega's hebben de nieuwe methode voor het maken van de structuren gedemonstreerd en beginnen de potentiële foto-elektrische en thermo-elektrische eigenschappen van de materialen te bestuderen. Ze zullen zich waarschijnlijk moeten wenden tot verschillende verbindingen, zoals kopersulfide en cadmiumsulfide - een combinatie die in het verleden voor zonnecellen is gebruikt, zegt Alivisatos. Er is echter geen garantie dat deze materialen dezelfde geordende structuren zullen vormen, of zelfs dat de structuren zullen presteren zoals de onderzoekers hopen.
Zelfs als deze specifieke structuren niet de sleutel blijken te zijn tot goedkope, zeer efficiënte zonnecellen, zou de nieuwe zelfassemblagemethode voor het maken van nanostructuren nieuwe materialen kunnen inspireren die dat wel zijn. En Bawendi benadrukt de noodzaak om fundamenteel onderzoek op deze manier voort te zetten om de huidige energieproblemen op te lossen. We weten niet wat de oplossing zal zijn, zegt hij. Maar als we hoogwaardige, zorgvuldig beschreven materialen maken zoals Alivisatos heeft gedaan, kunnen sommige daarvan het antwoord zijn, zegt Bawendi.