Questa serie di immagini mostra uno scheletro di un dollaro di sabbia che si trasforma gradualmente in una perovskite che emette luce. Le istantanee di questa conversione sono prese a 0, 5 secondi, 15 anni, e 40 anni. Credito:Noorduin Lab, AMOLF
I ricercatori di AMOLF hanno trovato un modo per realizzare strutture di carbonato di calcio adatte all'uso nell'elettronica. Lo fanno modificando la composizione del materiale in modo che diventi un semiconduttore senza perdere la sua forma. Ciò potrebbe portare a celle solari più efficienti e stabili. Questa ricerca è stata pubblicata sulla rivista Chimica della natura il 4 giugno 2018.
In linea di principio, sarebbe possibile effettuare l'esperimento sulla spiaggia utilizzando il guscio bianco ovale di una seppia o uno scheletro di riccio di mare, dice Wim Noorduin, leader del gruppo Self Organizing Matter presso AMOLF. "L'esperimento non prevede altro che il gocciolamento di due liquidi sulla struttura di carbonato di calcio. La conversione è completa in un paio di minuti. Se fai brillare una lampada UV sulla struttura, puoi vedere la conversione in atto davanti ai tuoi occhi:lo scheletro di riccio di mare, che inizialmente appare blu sotto la lampada, cambia in una struttura verde brillante ad ogni goccia."
Noorduin converte strutture di carbonato di calcio come uno scheletro di riccio di mare in perovskite, un nuovo materiale molto promettente per le celle solari. "In effetti, questa è alchimia, " dice Noorduin. "Mida ha cambiato tutto in oro, e ora stiamo cambiando il carbonato di calcio in perovskite".
Il carbonato di calcio è molto abbondante sulla Terra, e può essere trovato nelle miniere di gesso e negli scheletri di animali, Per esempio. Noorduin aveva precedentemente trovato un modo per creare una serie di microstrutture dal calcio per capire come lo fa la natura. Ma il materiale ha poche applicazioni. perovskite, però, offre più possibilità, ed è un nuovo materiale molto promettente per le celle solari. Le celle solari prodotte dalla perovskite a semiconduttore sono più efficienti ed economiche delle tradizionali celle solari al silicio. Sono anche oggetto di un numero crescente di ricerche. "Convertendo una struttura predeterminata di carbonato di calcio nella perovskite funzionale, ora abbiamo il controllo sia sulla forma che sulla funzione del materiale, "dice Noorduin.
Microstrutture a semiconduttore 3D:Scegliendo la composizione ionica specifica durante la reazione di conversione possiamo sintonizzare il colore in tutto lo spettro visibile dal blu al verde al rosso. Il corallo blu è cloruro di piombo metil ammonio, la spirale verde è bromuro di piombo metil ammonio ei vasi rossi sono ioduro di piombo metil ammonio. Le immagini sono scattate con un microscopio elettronico modificato che raccoglie luce, questa tecnica è chiamata catodoluminescenza (CL). Credito:Noorduin Lab, AMOLF
Noorduin prevede che il nuovo materiale porterà a celle solari migliorate. Poiché i ricercatori ora hanno il controllo sulla forma della cella solare, possono produrre una struttura che cattura la luce solare in modo più efficace. Per di più, la durata dell'attuale generazione di celle solari realizzate con perovskite è troppo breve poiché la perovskite si degrada troppo rapidamente. "Pensiamo che le nostre microstrutture di perovskite siano molto più stabili. Le celle solari realizzate con questo materiale dovrebbero quindi durare più a lungo, " dice Noorduin. "Inoltre, possiamo produrre strutture di perovskite in ogni colore desiderato. Ciò significa che il materiale potrebbe essere utilizzato anche per i LED in varie applicazioni, come schermi, "dice il ricercatore.
Con il nuovo processo, sviluppato dal Ph.D. di Noorduin. ricercatori Lukas Helmbrecht e Hans Hendrikse, è possibile convertire ogni struttura di carbonato di calcio, come uno scheletro di riccio di mare o le microstrutture di Noorduin, in perovskite. Questo processo riguarda la conversione controllata di una struttura cristallina in un'altra, che è un processo difficile in chimica. Una struttura di cristallo è simile a una collezione di marmi impilati. Gli ioni nel carbonato di calcio sono diversi da quelli nella perovskite, e anche l'impilamento è diverso. I ricercatori sostituiscono tutti gli ioni nel carbonato di calcio:in primo luogo, gli ioni calcio caricati positivamente con i ferri di piombo, e poi i ferri carbonati carichi negativamente con cloruro, Per esempio. Finalmente, aggiungono un altro ione, metil ammonio. Quest'ultimo ingrediente dà origine a un nuovo schema di impilamento a seguito del quale viene prodotta la perovskite.
L'esperimento è semplice, una volta che sai come eseguirlo, dice Noorduin. La difficoltà di convertire il carbonato di calcio in perovskite è che tutto è diverso:non solo la composizione di cationi con carica positiva e anioni con carica negativa, ma anche la struttura cristallina, dice Noorduin. "Le condizioni di reazione, come concentrazione e livello di pH, deve essere esattamente giusto, altrimenti la struttura cade a pezzi immediatamente. Ci sono voluti sei mesi per scoprire quelle condizioni esatte".
Per esempio, lo scambio dei cationi nel primo passaggio deve essere perfetto. Il secondo passaggio è ancora più difficile perché la struttura cristallina deve cambiare. Abbiamo anche scoperto che era fondamentale garantire che quest'ultimo passaggio avvenga molto rapidamente per evitare che la struttura si sfaldi.
Altri materiali
Il metodo di scambio ionico può essere utilizzato su un'ampia gamma di materiali. Non solo carbonato di calcio, ma sono adatti anche il carbonato di bario e il carbonato di stronzio, e forse anche solfati. I ricercatori di AMOLF si aspettano che la reazione possa essere estesa anche ad altri tipi di perovskite per rendere possibile un'ampia gamma di applicazioni. "We can apply the principles to other materials such as catalysts. In those cases, you want to be able to control the material's surface shape and composition as well."
