Dal difetto al materiale high-tech
Con una precisione su scala atomica: un gruppo di ricerca fa luce sulla nanosintesi
Le nanopiastrine di seleniuro di cadmio sono un promettente punto di partenza per lo sviluppo di nuovi tipi di materiali elettronici. Dall'inizio del millennio, queste minuscole piastrine, spesse solo pochi strati atomici, sono state oggetto di particolare interesse per i ricercatori di tutto il mondo, in quanto presentano, tra l'altro, straordinarie proprietà ottiche. Un team del Centro Helmholtz di Dresda-Rossendorf (HZDR), della TU di Dresda e dell'Istituto Leibniz per la ricerca sui materiali e sullo stato solido di Dresda (IFW) ha ora compiuto un importante passo avanti verso la loro produzione mirata. I ricercatori sono riusciti ad acquisire conoscenze fondamentali sull'interazione tra struttura e funzione, come riportano nella rivista Small.
Le nanostrutture a base di cadmio sono ideali, ad esempio, per lo sviluppo di materiali bidimensionali che interagiscono in modo specifico con la luce nel vicino infrarosso (NIR), assorbendola, riflettendola o emettendola o mostrando altre proprietà ottiche. Questo intervallo spettrale è di interesse per numerose tecnologie. Nella diagnostica medica, ad esempio, questi materiali consentono di ottenere informazioni più approfondite sui tessuti, poiché la luce NIR viene diffusa meno di quella visibile. Nella tecnologia delle comunicazioni, i materiali NIR sono utilizzati nei sistemi a fibre ottiche ad alta efficienza, mentre nell'energia solare possono potenzialmente aumentare l'efficienza delle celle fotovoltaiche.
"La capacità di modificare in modo specifico il materiale in modo che abbia le proprietà ottiche ed elettroniche desiderate è fondamentale per tutte queste applicazioni", spiega il dott. Rico Friedrich dell'Istituto di fisica dei fasci di ioni e ricerca sui materiali dell'HZDR e della cattedra di chimica teorica della TU Dresda. "Questo è stato problematico fino ad ora, in quanto il lavoro di sintesi nanochimica era di solito più simile a mescolare e provare", aggiunge il Prof. Alexander Eychmüller della Cattedra di Chimica Fisica della TU di Dresda. Entrambi gli scienziati hanno guidato congiuntamente il progetto di ricerca cooperativa.
Approccio innovativo: scambio di cationi per la produzione di nanoparticelle ben definite
La sfida particolare consiste nel controllare in modo specifico il numero di strati atomici e la loro composizione nelle nanostrutture - e quindi il loro spessore - senza modificarne la larghezza e la lunghezza. La sintesi di nanoparticelle così complesse è una sfida centrale nella ricerca sui materiali. È qui che entra in gioco lo scambio cationico, un metodo in cui alcuni cationi - ioni con carica positiva - presenti in una nanoparticella vengono specificamente sostituiti da altri. "Il processo consente un controllo preciso della composizione e della struttura, in modo da produrre particelle con proprietà che non potrebbero essere realizzate con i metodi di sintesi convenzionali. Tuttavia, si sa ancora poco su come avviene esattamente questa reazione e su quale sia il suo inizio", spiega Eychmüller.
Nel lavoro attuale del team, l'attenzione si è concentrata sulle nanopiastrine i cui angoli attivi svolgono un ruolo decisivo. Questi angoli sono particolarmente reattivi dal punto di vista chimico e consentono alle piastrine di collegarsi tra loro per formare strutture organizzate. Per comprendere meglio questi effetti, i ricercatori hanno combinato sofisticati metodi di sintesi, microscopia a risoluzione atomica (elettronica) e ampie simulazioni al computer.
Gli angoli attivi e i difetti nelle nanoparticelle non sono interessanti solo per la loro reattività chimica, ma anche per le loro proprietà ottiche ed elettroniche. In questi punti si verifica spesso una concentrazione di portatori di carica, che può influenzare il trasporto dei portatori di carica e l'assorbimento della luce. "In combinazione con la capacità di scambiare singoli atomi o ioni, tali difetti potrebbero essere utilizzati anche nella catalisi a singolo atomo. In questo caso, l'elevata reattività e selettività dei singoli atomi viene sfruttata per rendere più efficienti i processi chimici", spiega Friedrich. Il controllo preciso di questi difetti è fondamentale anche per l'attività NIR dei nanomateriali. Essi influenzano il modo in cui la luce viene assorbita, emessa o dispersa nel vicino infrarosso e offrono quindi punti di partenza per ottimizzare le proprietà ottiche in modo mirato.
Collegare le nanostrutture: un passo verso l'auto-organizzazione
Un altro risultato di questa ricerca è la possibilità di collegare in modo specifico i nanoplatelets. Gli angoli attivi consentono di combinare le particelle per formare strutture ordinate o addirittura auto-organizzate. Questa organizzazione potrebbe essere utilizzata in applicazioni future per creare materiali complessi con funzioni integrate, ad esempio per sensori NIR-attivi o nuovi tipi di componenti elettronici. In pratica, tali materiali potrebbero aumentare l'efficienza di sensori e celle solari o consentire nuove modalità di trasmissione dei dati. Allo stesso tempo, la ricerca fornisce spunti fondamentali che sono importanti anche per altre aree della nanoscienza, come la catalisi o lo sviluppo di materiali quantistici.
Le scoperte del team sono state possibili solo grazie alla combinazione di metodi sintetici, sperimentali e teorici all'avanguardia. I ricercatori non solo sono riusciti a controllare con precisione la struttura delle nanoparticelle, ma hanno anche studiato in dettaglio il ruolo degli angoli attivi. Gli esperimenti sulla distribuzione dei difetti atomici e l'analisi della composizione sono stati combinati con la modellazione teorica per ottenere una comprensione completa delle proprietà del materiale.
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