Miljøvenlige præfabrikerede nanopartikler kan revolutionere nanoproduktionen

Et team af materialekemikere, polymerforskere, enhedsfysikere og andre ved University of Massachusetts Amherst rapporterer i dag om en gennembrudsteknik til styring af molekylær samling af nanopartikler over skalaer med flere længder, som burde muliggøre hurtigere, billigere, mere miljøvenlig fremstilling af organisk fotovoltaik og andre elektroniske apparater. Detaljer findes i det aktuelle nummer af Nano bogstaver .

Lederundersøger, kemiker Dhandapani Venkataraman, påpeger, at de nye teknikker med succes adresserer to hovedmål for fremstilling af enheder:at kontrollere molekylær samling og undgå giftige opløsningsmidler som chlorbenzen. "Nu har vi en rationel måde at kontrollere denne samling i et vandbaseret system, "siger han." Det er en helt ny måde at se på problemer på. Med denne teknik kan vi tvinge den ind i den nøjagtige struktur, du ønsker. "

Materialekemiker Paul Lahti, meddirektør med Thomas Russell fra UMass Amherst's Energy Frontiers Research Center (EFRC) støttet af det amerikanske energiministerium, siger, "En af de store konsekvenser af dette arbejde er, at det går langt ud over organiske solceller eller solceller, hvor dette forskud anvendes lige nu. Ser man på det større billede, denne teknik giver en meget lovende, fleksibel og miljøvenlig ny tilgang til samling af materialer til fremstilling af enhedskonstruktioner. "

Lahti sammenligner UMass Amherst -teamets fremskridt inden for materialevidenskab med den slags fordele, byggebranchen oplevede med præfabrikerede byggeenheder. "Denne strategi er på den generelle filosofiske linje, "siger han." Vores gruppe opdagede en måde at bruge kuglepakning til at få alle slags materialer til at opføre sig i en vandopløsning, før de sprøjtes på overflader i tynde lag og samles til et modul. Vi er ved at samle nogle grundlæggende byggesten med et par forudsigelige egenskaber, som derefter er tilgængelige til at bygge din komplekse enhed. "

"Nogen skal stadig tilslutte det og passe det, som de vil, "Tilføjer Lahti." Det er ikke færdigt, men mange dele er færdigmonterede. Og du kan bestille egenskaber, du har brug for, for eksempel, en bestemt elektronstrømretning eller -styrke. Alle modulerne kan indstilles til at have mulighed for at levere elektronetilgængelighed på en bestemt måde. Tilgængeligheden kan justeres, og vi har vist, at det virker. "

Den nye metode bør reducere den tid, nano-fremstillingsvirksomheder bruger på forsøg og fejl-søgninger efter materialer til fremstilling af elektroniske enheder såsom solceller, organiske transistorer og organiske lysemitterende dioder. "Den gamle måde kan tage år, "Siger Lahti.

"Et andet af vores hovedmål er at lave noget, der kan skaleres op fra nano- til mesoskala, og det gør vores metode. Det er også meget mere miljøvenligt, fordi vi bruger vand i stedet for farlige opløsningsmidler i processen, "tilføjer han.

For solceller, Venkataraman påpeger, "Den næste ting er at lave enheder med andre polymerer, der følger med, for at øge effektiviteten af ​​strømkonvertering og gøre dem på fleksible underlag. I dette papir arbejdede vi på glas, men vi vil oversætte til fleksible materialer og producere rull-til-rulle fremstillede materialer med vand. Vi forventer faktisk at få meget større effektivitet. "Han foreslår, at når man når 5 procent strømkonverteringseffektivitet, ville det retfærdiggøre investeringen for at lave små, fleksible solpaneler til at drive enheder som f.eks. smartphones.

Hvis den gennemsnitlige smartphone bruger 5 watt strøm, og alle 307 millioner brugere i USA skiftede fra batterier til fleksibel solcelle, det kan spare mere end 1500 megawatt om året. "Det er næsten produktionen af ​​et atomkraftværk, "Venkataraman siger, "and it's more dramatic when you consider that coal-fired power plants generate 1 megawatt and release 2, 250 lbs. of carbon dioxide. So if a fraction of the 6.6 billion mobile phone users globally changed to solar, it would reduce our carbon footprint a lot."

Doctoral student and first author Tim Gehan says that organic solar cells made in this way can be semi-transparent, såvel, "so you could replace tinted windows in a skyscraper and have them all producing electricity during the day when it's needed. And processing is much cheaper and cleaner with our cells than in traditional methods."

Venkataraman credits organic materials chemist Gehan, with postdoctoral fellow and device physicist Monojit Bag, with making "crucial observations" and using "persistent detective work" to get past various roadblocks in the experiments. "These two were outstanding in helping this story move ahead, " he notes. For their part, Gehan and Bag say they got critical help from the Amherst Fire Department, which loaned them an infrared camera to pinpoint some problem hot spots on a device.

It was Bag who put similar sized and charged nanoparticles together to form a building block, then used an artist's airbrush to spray layers of electrical circuits atop each other to create a solar-powered device. Han siger, "Here we pre-formed structures at nanoscale so they will form a known structure assembled at the meso scale, from which you can make a device. Før, you just hoped your two components in solution would form the right mesostructure, but with this technique we can direct it to that end."