Udvikling af lavdimensionelle nanomaterialer kan revolutionere fremtidige teknologier

Javier Vela, forsker ved U.S. Department of Energy's Ames Laboratory, mener forbedringer i computerprocessorer, Tv-skærme og solceller vil komme fra videnskabelige fremskridt i syntesen af ​​lavdimensionelle nanomaterialer.

Ames Laboratory videnskabsmænd er kendt for deres ekspertise i syntese og fremstilling af materialer af forskellige typer, ifølge Vela, som også er lektor i kemi ved Iowa State University. I mange tilfælde, disse nye materialer er lavet i bulkform, hvilket betyder mikrometer til centimeter i størrelse. Velas gruppe arbejder med bittesmå, nanometer, eller en milliardtedel af en meter størrelse, nanokrystaller.

"Vi forsøger at finde ud af, hvad der sker med materialer, når vi går til lavere partikelstørrelser, vil materialerne blive forbedret eller negativt påvirket, eller vil vi finde ejendomme, der ikke var forventet, "Vela sagde." Vores mål er at udvide videnskaben om lavdimensionelle nanomaterialer. "I et inviteret papir udgivet i Materialernes kemi berettiget, "Syntetisk udvikling af lavdimensionelle materialer", Vela og medforfatterne Long Men, Miles White, Himashi Andaraarachchi, og Bryan Rosales diskuterede højdepunkter i nogle af deres seneste arbejde med syntese af lavdimensionelle materialer.

Et af disse emner var fremskridt i syntesen af ​​germanium-baserede kerne-skal nanokrystaller. Vela siger, at industrien er meget interesseret i halvledende nanokrystal-baserede teknologier til applikationer som solceller.

Lille partikelstørrelse kan påvirke mange ting fra transportegenskaber (hvor godt en nanokrystal leder varme og elektricitet) til optiske egenskaber (hvor stærk den interagerer med lys, absorberer lys og udsender lys). Dette gælder især i fotovoltaiske solceller "Lad os sige, at du bruger et halvledermateriale til at lave en solenergienhed, der er ofte forskellig ydeevne, når solceller er lavet af bulkmaterialer i modsætning til, når de er lavet med nanomaterialer. Nanomaterialer interagerer forskelligt med lys; de absorberer det bedre. Det er en måde, hvorpå du kan manipulere enheder og finjustere deres ydeevne eller effektkonverteringseffektivitet, " sagde Vela.

Ud over solceller, Vela siger, at der er en enorm interesse for at bruge nanokrystaller i kvanteprik-tv og computerskærme, optiske enheder som LED'er (lysemitterende dioder), biologisk billeddannelse, og telekommunikation.

Han siger, at der er mange udfordringer på dette område, fordi afhængigt af kvaliteten af ​​de anvendte nanokrystaller, du kan se forskellige emissionsegenskaber, som kan påvirke lysets renhed. "I sidste ende kan størrelsen af ​​de nanokrystaller, der bruges, gøre en enorm forskel i renheden eller sprødheden af ​​farver på tv og computerskærme, "sagde Vela." Fjernsyn og computerteknologi er en forretning på mange milliarder dollars verden over, så du kan se den potentielle værdi, vores forståelse af egenskaber ved nanokrystaller kan tilføre disse teknologier."

I avisen, Velas gruppe diskuterede også fremskridt i studiet af syntese og spektroskopisk karakterisering af organoblyhalogenidperovskitter, som Vela siger er nogle af de mest lovende halvledere til solceller på grund af deres lave omkostninger og lettere bearbejdelighed. Han tilføjer, at solcelleanlæg fremstillet af disse materialer nu opnår strømkonverteringseffektiviteter på mere end 22 procent. Velas forskning på dette område har fokuseret på blandede halogenidperovskitter. Han siger, at hans gruppe har opdaget, at disse materialer udviser interessante kemiske og fotofysiske egenskaber, som folk ikke havde indset før, og nu forsøger de bedre at forstå sammenhængen mellem perovskites struktur og kemiske sammensætning og hvordan de opfører sig i solceller. "Et af vores mål er at bruge det, vi har lært, til at hjælpe med at sænke omkostningerne ved solceller og producere dem mere pålideligt og let, " sagde Vela.

Ud over, Velas gruppe studerer, hvordan man erstatter bly i traditionelle organoblyhalogenidperovskitter med noget mindre giftigt, som germanium. "I princippet, dette er et område, der burde være meget bedre kendt, men det er det ikke, " sagde Vela. "Når vi har været i stand til at erstatte germanium med bly, vi har været i stand til at producere en lettere perovskite, som han siger kan påvirke bilindustrien positivt, for eksempel.

"Dette kan have store konsekvenser for transportapplikationer, hvor du ikke vil have meget bly, fordi det er så tungt, " sagde Vela. Fremover siger Vela, at hans gruppes fokus vil være på at fremme videnskaben inden for lavdimensionelle materialer.

"Vi arbejder ikke med velkendte materialer, men den nyeste; den senest opdagede, " sagde Vela. "Og hver gang vi kan fremme videnskaben, er vi et skridt tættere på muligheder for mere kommercialisering, mere produktion, mere produktion og flere job i USA."