I ricercatori della Duke University hanno rivelato dinamiche molecolari a lungo nascoste che forniscono proprietà desiderabili per l'energia solare e le applicazioni di energia termica a una classe entusiasmante di materiali chiamati perovskiti alogenuri.

Un contributo chiave al modo in cui questi materiali creano e trasportano l'elettricità dipende letteralmente dal modo in cui il loro reticolo atomico si attorciglia e ruota in modo simile a una cerniera. I risultati aiuteranno gli scienziati dei materiali nella loro ricerca di personalizzare le ricette chimiche di questi materiali per un'ampia gamma di applicazioni in modo ecologico.

I risultati appaiono online il 15 marzo sulla rivista Materiali della natura .

"C'è un ampio interesse per le perovskiti ad alogenuri per applicazioni energetiche come il fotovoltaico, termoelettrici, rilevamento ed emissione di radiazioni optoelettroniche:l'intero campo è incredibilmente attivo, " disse Olivier Delaire, professore associato di ingegneria meccanica e scienza dei materiali alla Duke. "Mentre comprendiamo che la morbidezza di questi materiali è importante per le loro proprietà elettroniche, nessuno sapeva davvero come i moti atomici che abbiamo scoperto siano alla base di queste caratteristiche".

Le perovskiti sono una classe di materiali che, con la giusta combinazione di elementi, vengono trasformate in una struttura cristallina che le rende particolarmente adatte per applicazioni energetiche. La loro capacità di assorbire la luce e trasferire la sua energia in modo efficiente li rende un obiettivo comune per i ricercatori che sviluppano nuovi tipi di celle solari, Per esempio. Sono anche morbidi, un po' come l'oro massiccio può essere facilmente ammaccato, che dà loro la capacità di tollerare i difetti e di evitare crepe quando trasformati in un film sottile.

Taglia unica, però, non va bene per tutti, poiché esiste una vasta gamma di potenziali ricette che possono formare una perovskite. Molte delle ricette più semplici e studiate includono un alogeno, come il cloro, fluoro o bromo, dando loro il nome di alogenuri perovskiti. Nella struttura cristallina delle perovskiti, questi alogenuri sono le giunture che legano insieme i motivi cristallini ottaedrici adiacenti.

Sebbene i ricercatori sappiano che questi punti di articolazione sono essenziali per creare le proprietà di una perovskite, nessuno è stato in grado di guardare al modo in cui consentono alle strutture intorno a loro di torcersi dinamicamente, gira e piega senza spezzarti, come uno stampo Jell-O agitato vigorosamente.

"Questi movimenti strutturali sono notoriamente difficili da definire sperimentalmente. La tecnica di scelta è la diffusione di neutroni, che viene fornito con uno strumento immenso e uno sforzo di analisi dei dati, e pochissimi gruppi hanno il controllo sulla tecnica che Olivier e i suoi colleghi fanno, " ha detto Volker Blum, professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali alla Duke che si occupa di modelli teorici di perovskiti, ma non è stato coinvolto in questo studio. "Ciò significa che sono in grado di rivelare le basi delle proprietà dei materiali nelle perovskiti di base che altrimenti sarebbero irraggiungibili".

Nello studio, Delaire e colleghi dell'Argonne National Laboratory, Laboratorio nazionale di Oak Ridge, l'Istituto nazionale di standard e tecnologia, e la Northwestern University, rivelano importanti dinamiche molecolari di strutture strutturalmente semplici, perovskite ad alogenuri comunemente ricercata (CsPbBr ₃ ) per la prima volta.

I ricercatori hanno iniziato con un grande, scala centimetrica, monocristallo della perovskite ad alogenuri, che è notoriamente difficile crescere fino a tali dimensioni, una delle ragioni principali per cui questo tipo di studio dinamico non è stato realizzato prima d'ora. Hanno poi bombardato il cristallo con neutroni all'Oak Ridge National Laboratory e raggi X all'Argonne National Laboratory. Misurando come i neutroni e i raggi X rimbalzano sui cristalli su molti angoli e a diversi intervalli di tempo, i ricercatori hanno scoperto come i suoi atomi costituenti si sono spostati nel tempo.

Dopo aver confermato la loro interpretazione delle misurazioni con simulazioni al computer, i ricercatori hanno scoperto quanto sia effettivamente attiva la rete cristallina. Motivi ottaedrici a otto lati attaccati l'uno all'altro attraverso atomi di bromo sono stati catturati attorcigliandosi collettivamente in domini simili a piastre e piegandosi costantemente avanti e indietro in un modo molto fluido.

"A causa del modo in cui gli atomi sono disposti con motivi ottaedrici che condividono atomi di bromo come giunti, sono liberi di avere queste rotazioni e curve, " ha detto Delaire. "Ma abbiamo scoperto che queste perovskiti ad alogenuri in particolare sono molto più 'flaccide' di altre ricette. Invece di tornare subito in forma, tornano molto lentamente, quasi più simile a Jell-O o a un liquido che a un cristallo solido convenzionale."

Delaire ha spiegato che questa danza molecolare dallo spirito libero è importante per comprendere molte delle proprietà desiderabili delle perovskiti di alogenuro. La loro "flaccidità" impedisce agli elettroni di ricombinarsi nei fori da cui i fotoni in arrivo li hanno buttati fuori, che li aiuta a produrre molta elettricità dalla luce solare. E probabilmente rende anche difficile per l'energia termica viaggiare attraverso la struttura cristallina, che consente loro di creare elettricità dal calore facendo in modo che un lato del materiale sia molto più caldo dell'altro.

Perché la perovskite utilizzata nello studio—CsPbBr ₃ —ha una delle ricette più semplici, ma contiene già le caratteristiche strutturali comuni all'ampia famiglia di questi composti, Delaire ritiene che questi risultati possano essere applicati a una vasta gamma di perovskiti ad alogenuri. Per esempio, cita le perovskiti organiche-inorganiche ibride (HOIP), che hanno ricette molto più complicate, così come varianti a doppia perovskite senza piombo che sono più rispettose dell'ambiente.

"Questo studio mostra perché questa struttura di perovskite è speciale anche nei casi più semplici, " ha detto Delaire. "Questi risultati molto probabilmente si estendono a ricette molto più complicate, che molti scienziati in tutto il mondo stanno attualmente studiando. Mentre esaminano enormi database computazionali, le dinamiche che abbiamo scoperto potrebbero aiutare a decidere quali perovskiti perseguire".