211service.com
Självmonterande nanostrukturer
Forskare vid University of California, Berkeley, har hittat ett enkelt sätt att göra en komplex nanostruktur som består av små stavar översållade med nanokristaller. Den nya självmonterande syntesmetoden kan leda till intrikata nanomaterial för mer effektiva solceller och billigare enheter för att direkt omvandla värme till elektricitet.
Ingen montering krävs: Nanorods av kadmiumsulfid med silversulfid-kvantprickar (mörka fläckar) bildas automatiskt när forskare blandar ihop rätt startkemikalier.
I strukturerna är kvantprickarna alla ungefär lika stora och är jämnt fördelade längs stavarna – en bedrift som tidigare krävde speciella förhållanden som ett vakuum, med forskare som noggrant kontrollerade storleken och avståndet mellan olika material, säger Paul Alivisatos , professorn i kemi och materialvetenskap vid Berkeley som ledde arbetet. Däremot blandar Alivisatos helt enkelt ihop de lämpliga utgångsmaterialen i en lösning; dessa material ordnar sig sedan i den ordnade strukturen.
Sådana lösningsbearbetningstekniker kan leda till tillverkningsmetoder där material, som de som används i solceller, trycks på kontinuerliga ark, vilket drar ner kostnaderna jämfört med andra metoder. Varje gång du gör något i lösning, snarare än i ett vakuum, blir det mycket enklare och billigare, säger Moungi Bawendi , en kemiprofessor vid MIT som inte var involverad i detta arbete.
För att göra stavarna blandar Alivisatos en kombination av metanol och ett silversalt till en lösning som redan innehåller kadmium-sulfid nanorods. Kadmiumjoner har en stark affinitet för metanol. Som ett resultat, när materialen blandas, drar metanolen kadmium ur nanoroderna. Silverjoner fyller sedan i de lediga fläckarna som lämnats av kadmiumet och bildar områden av silversulfid i staven. Samtidigt reglerar skillnader i de kristallina strukturerna hos kadmiunsulfidstavarna och silversulfidkvantprickarna prickarnas storlek och avstånd. Detta är första gången sådana skillnader har använts för att kontrollera självmontering av material i lösning.
De nanokristallbesatta stavarna kan visa sig användbara för solceller och termoelektriska enheter som omvandlar värme direkt till elektricitet. Till exempel, i konventionella solceller genererar varje foton bara en enda elektron. Men vissa typer av kvantprickar omvandlar enstaka fotoner till flera elektroner, vilket kan mer än fördubbla effektiviteten hos solceller. (Se Silicon and Sun.) Problemet har varit att fånga dessa elektroner för att skapa en elektrisk ström. Att bädda in kvantprickar inuti stavar av ett annat material kan hjälpa till med detta problem, säger Alivisatos. Kvantprickarna skulle absorbera ljuset, medan det andra materialet skulle fånga elektronerna som prickarna genererar.
En liknande konfiguration är lovande för termoelektrik, enheter som direkt omvandlar värme till elektricitet. De alternerande kristallstrukturerna i nanoroderna kan blockera värmeöverföringen samtidigt som elektronerna kan passera - två nyckelegenskaper hos sådana enheter.
Efter att ha demonstrerat den nya metoden för att tillverka strukturerna börjar Alivisatos och hans kollegor studera materialens potentiella fotoelektriska och termoelektriska egenskaper. De kommer sannolikt att behöva vända sig till olika föreningar, som kopparsulfid och kadmiumsulfid - en kombination som har använts för solceller tidigare, säger Alivisatos. Det finns dock ingen garanti för att dessa material kommer att bilda samma ordnade strukturer, eller att strukturerna kommer att fungera som forskarna hoppas att de ska göra.
Även om just dessa strukturer inte visar sig vara nyckeln till lågkostnads, högeffektiva solceller, kan den nya självmonteringsmetoden för att göra nanostrukturer inspirera till nya material som är det. Och Bawendi lyfter fram behovet av att fortsätta med grundläggande forskning som denna för att lösa dagens energiproblem. Vi vet inte vad lösningen kommer att bli, säger han. Men om vi skapar högkvalitativa, noggrant beskrivna material som Alivisatos har gjort kan några av dem vara svaret, säger Bawendi.