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Nanoestructuras autoensamblables
Investigadores de la Universidad de California, Berkeley, han encontrado una manera fácil de hacer una nanoestructura compleja que consiste en pequeñas varillas tachonadas con nanocristales. El nuevo método de síntesis de autoensamblaje podría conducir a intrincados nanomateriales para células solares más eficientes y dispositivos menos costosos para convertir directamente el calor en electricidad.
No requiere ensamblaje: Nanorods de sulfuro de cadmio con puntos cuánticos de sulfuro de plata (puntos oscuros) se forman automáticamente cuando los investigadores mezclan los productos químicos de partida correctos.
En las estructuras, los puntos cuánticos tienen aproximadamente el mismo tamaño y están espaciados uniformemente a lo largo de las varillas, una hazaña que en el pasado requería condiciones especiales como un vacío, con investigadores controlando cuidadosamente el tamaño y el espaciado de diferentes materiales, dice Pablo Alivisatos , el profesor de química y ciencia de los materiales en Berkeley que dirigió el trabajo. Por el contrario, Alivisatos simplemente mezcla los materiales de partida apropiados en una solución; estos materiales luego se organizan en la estructura ordenada.
Estas técnicas de procesamiento de soluciones pueden conducir a métodos de fabricación en los que los materiales, como los que se utilizan en las células solares, se imprimen en hojas continuas, lo que reduce los costes en comparación con otros métodos. Cada vez que haces algo en solución, en lugar de al vacío, se vuelve mucho más fácil y barato, dice Moungi Bawendi , profesor de química del MIT que no participó en este trabajo.
Para hacer las varillas, Alivisatos mezcla una combinación de metanol y una sal de plata en una solución que ya contiene nanobarras de sulfuro de cadmio. Los iones de cadmio tienen una fuerte afinidad por el metanol. Como resultado, cuando se mezclan los materiales, el metanol extrae cadmio de las nanovarillas. Luego, los iones de plata llenan los lugares vacíos que deja el cadmio, formando áreas de sulfuro de plata dentro de la barra. Al mismo tiempo, las diferencias en las estructuras cristalinas de las varillas de sulfuro de cadmio y los puntos cuánticos de sulfuro de plata regulan el tamaño y el espaciado de los puntos. Esta es la primera vez que se utilizan tales diferencias para controlar el autoensamblaje de materiales en solución.
Las varillas tachonadas de nanocristales podrían resultar útiles para células solares y dispositivos termoeléctricos que convierten el calor directamente en electricidad. Por ejemplo, en las células solares convencionales, cada fotón solo genera un único electrón. Pero ciertos tipos de puntos cuánticos convierten fotones individuales en múltiples electrones, lo que podría más que duplicar la eficiencia de las células solares. (Ver Silicio y Sol.) El problema ha sido capturar esos electrones para crear una corriente eléctrica. Incrustar puntos cuánticos dentro de varillas de otro material podría ayudar con este problema, dice Alivisatos. Los puntos cuánticos absorberían la luz, mientras que el otro material capturaría los electrones que generan los puntos.
Una configuración similar es prometedora para los termoeléctricos, dispositivos que convierten directamente el calor en electricidad. Las estructuras cristalinas alternas en las nanovarillas podrían bloquear la transferencia de calor y permitir el paso de los electrones, dos características clave de estos dispositivos.
Habiendo demostrado el nuevo método para hacer las estructuras, Alivisatos y sus colegas están comenzando a estudiar las posibles propiedades fotoeléctricas y termoeléctricas de los materiales. Es probable que necesiten recurrir a diferentes compuestos, como el sulfuro de cobre y el sulfuro de cadmio, una combinación que se ha utilizado para las células solares en el pasado, dice Alivisatos. Sin embargo, no hay garantía de que estos materiales formen las mismas estructuras ordenadas, o de que las estructuras funcionen como los investigadores esperan que lo hagan.
Incluso si estas estructuras particulares no resultan ser la clave para las células solares de bajo costo y alta eficiencia, el nuevo método de autoensamblaje para hacer nanoestructuras podría inspirar nuevos materiales que sí lo son. Y Bawendi destaca la necesidad de continuar con la investigación básica como esta para resolver los problemas energéticos actuales. No sabemos cuál será la solución, dice. Pero si creamos materiales de alta calidad y cuidadosamente descritos como lo ha hecho Alivisatos, algunos de ellos pueden ser la respuesta, dice Bawendi.