Nanopartikler har brug for lidt plads til at overføre energi

Hurtig overførsel af energi fra et sted til et andet - uden tab - kunne fundamentalt ændre solpaneler og computere. Materialer fremstillet af lange kæder af små partikler, eller nanopartikler, vise løfte om sådan energioverførsel. Imidlertid, gå endnu mindre end nano-dimensioner har ikke fungeret helt som planlagt. Forskere mistænkte, at partiklerne skulle være tæt på hinanden for at overføre energi effektivt. Nu, et team har vist, at partiklerne kan være for tætte. Specifikt, energioverførslen falder dramatisk, når partiklerne i kæden er mindre end et nanometer fra hinanden.

For dem, der ønsker at bygge bedre solpaneler eller computerchips, denne undersøgelse besvarer et grundlæggende spørgsmål om fysikken i et lovende design. Det design kan bruge en kemisk struktur, der indeholder kæder af nanopartikler. Undersøgelsen forklarer, hvorfor energioverførselseffektiviteten falder. Det er, det viser, hvordan kvantemekaniske effekter ændrer overførslerne. Også, det viser, at komplekse beregninger, ved hjælp af en funktionel stram bindende tilgang i realtidstæthed, kaste mekanistisk indsigt i at analysere energioverførsler baseret på mellempartikelafstand.

Forskere ønskede at forstå de kvantemekaniske effekter, der kan resultere i kvalitativt forskellige og til tider helt modsatte resultater. I særdeleshed, de ønskede at forstå årsagen til effektivitet og ineffektivitet ved energioverførsel i lange nanopartikelkæder. Sådanne kæder holder løfte på forskellige områder, herunder energihøst. Konventionelle beregningsmetoder var ikke til opgaven. Forskere brugte funktionel tæt binding i realtid til at karakterisere energioverførsel som en funktion af mellempartikelafstand. I modsætning til klassiske elektrodynamiske metoder, deres kvantedynamiske beregninger viser et fald i effektivitet for afstand til subnanometerlængder i nanopartikelkæden. Faldet i effektivitet skyldes kvantemekanisk tunneling, der dramatisk ændrer de elektroniske koblinger mellem nanopartikler. Dermed, teamet viste, at i betragtning af nanopartikelafstand samt større kvantemekaniske effekter er afgørende for nøjagtigt at beregne energioverførselsmekanismer.