Mange anvendelser til forskning i kvantepunkter

Det er lettere at opløse en sukkerterning i et glas vand ved først at knuse terningen, fordi de mange små partikler dækker mere overfladeareal i vandet end selve terningen. På en måde, det samme princip gælder for den potentielle værdi af materialer sammensat af nanopartikler.

Fordi nanopartikler er så små, millioner gange mindre end bredden af ​​et menneskehår, de har "enormt overfladeareal, "øger muligheden for at bruge dem til at designe materialer med mere effektive sol-til-elektricitet og sol-til-kemiske energibaner, siger Ari Chakraborty, en adjunkt i kemi ved Syracuse University.

"Det er meget lovende materialer, "siger han." Du kan optimere mængden af ​​energi, du producerer fra en nanopartikelbaseret solcelle. "

Chakraborty, en ekspert i fysisk og teoretisk kemi, kvantemekanik og nanomaterialer, søger at forstå, hvordan disse nanopartikler interagerer med lys efter at have ændret deres form og størrelse, hvilket betyder, for eksempel, de kunne i sidste ende give forbedrede solcelleanlæg og let høstende egenskaber. Det er muligt at ændre deres form og størrelse "uden at ændre deres kemiske sammensætning, "siger han." Den samme kemiske forbindelse i forskellige størrelser og former vil interagere forskelligt med lys. "

Specifikt, National Science Foundation (NSF) -finansieret videnskabsmand fokuserer på kvantepunkter, som er halvlederkrystaller på en nanometer skala. Kvantepunkter er så små, at elektronerne i dem kun findes i tilstande med specifikke energier. Som sådan, kvanteprikker opfører sig på samme måde som atomer, og, som atomer, kan opnå højere energiniveauer, når lys stimulerer dem.

Chakraborty arbejder inden for teoretisk og beregningskemi, hvilket betyder "vi arbejder kun med computere og computere, "siger han." Målet med beregningskemi er at bruge grundlæggende fysiske love til at forstå, hvordan stof interagerer med hinanden, og, i min forskning, med lys. Vi vil forudsige kemiske processer, før de rent faktisk sker i laboratoriet, som fortæller os hvilken retning vi skal følge. "

Disse atomer og molekyler følger de naturlige bevægelseslove, "og vi ved, hvad de er, "siger han." Desværre, de er for komplicerede til at kunne løses i hånden eller regnemaskinen, når de anvendes på kemiske systemer, derfor bruger vi en computer. "

De "elektronisk ophidsede" tilstande i nanopartiklerne påvirker deres optiske egenskaber, han siger.

"Vi undersøger disse ophidsede tilstande ved at løse Schrödinger -ligningen for nanopartikler, " han siger, henviser til en delvis differentialligning, der beskriver, hvordan kvantetilstanden i et fysisk system ændrer sig med tiden. "Schrödinger -ligningen giver den kvantemekaniske beskrivelse af alle elektronerne i nanopartiklen.

"Imidlertid, nøjagtig løsning af Schrödinger -ligningen er udfordrende på grund af stort antal elektroner i systemet, "tilføjer han." F.eks. en 20 nanometer CdSe kvantepunkt indeholder over 6 millioner elektroner. I øjeblikket, min forskningsgruppes primære fokus er at udvikle nye kvantekemiske metoder til at løse disse udfordringer. De nyudviklede metoder er implementeret i open-source beregningssoftware, som vil blive distribueret til offentligheden gratis. "

Solar voltaics, "kræver et stof, der fanger lys, bruger det, og overfører denne energi til elektrisk energi, "siger han. Med solcellematerialer lavet af nanopartikler, "Du kan bruge forskellige former og størrelser, og fange mere energi, "tilføjer han." Også, du kan have et stort overfladeareal til en lille mængde materialer, så du behøver ikke mange af dem. "

Nanopartikler kan også være nyttige til at konvertere solenergi til kemisk energi, han siger. "Hvordan gemmer du energien, når solen ikke er ude?" han siger. "For eksempel, blade på et træ tager energi og gemmer det som glukose, brug derefter glukosen senere til mad. En potentiel anvendelse er at udvikle kunstige blade til kunstig fotosyntese. Der er et stort område med igangværende forskning for at lave forbindelser, der kan lagre energi. "

Medicinsk billeddannelse præsenterer en anden nyttig potentiel applikation, han siger.

"For eksempel, nanopartikler er blevet belagt med bindemidler, der binder til kræftceller, "siger han." Under visse kemiske og fysiske forhold, nanopartiklerne kan indstilles til at udsende lys, som giver os mulighed for at tage billeder af nanopartiklerne. Du kan identificere de områder, hvor der er kræftceller i kroppen. De områder, hvor kræftcellerne er placeret, viser sig som lyspunkter på fotografiet. "

Chakraborty udfører sin forskning under en pris fra NSF Faculty Early Career Development (CAREER). Prisen støtter junior fakultet, der eksemplificerer lærer-lærde rolle gennem fremragende forskning, fremragende uddannelse og integration af uddannelse og forskning inden for rammerne af deres organisations mission. NSF finansierer sit arbejde med $ 622, 123 over fem år.

Som en del af tilskuddets uddannelseskomponent, Chakraborty er vært for flere elever fra et lokalt gymnasium - East Syracuse Mineoa High School - i sit laboratorium. Han har også organiseret to workshops for gymnasielærere om, hvordan man bruger beregningsværktøjer i deres klasseværelser "for at gøre kemi mere interessant og intuitiv for gymnasieelever, " han siger.

"Den virkelig gode del ved det er, at børnene virkelig kan arbejde med molekylerne, fordi de kan se dem på skærmen og manipulere dem i 3D-rum, "tilføjer han." De kan udforske deres struktur ved hjælp af computere. De kan måle afstande, vinkler, og energier forbundet med molekylerne, hvilket ikke er muligt at gøre med en fysisk model. De kan strække det, og se det komme tilbage til sin oprindelige struktur. Det er en rigtig praktisk oplevelse, som børnene kan få, mens de lærer kemi. "