Alla lunga lista di scoperte fortuite:gravità, penicillina, il Nuovo Mondo – aggiungi questo:gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hanno scoperto perché una tecnica promettente per creare punti quantici e nanobarre è stata finora una delusione. Meglio ancora, hanno anche scoperto come correggere il problema.

Un team di ricercatori guidati dal chimico Paul Alivisatos, direttore del Berkeley Lab, e Prashant Jain, un chimico ora con l'Università dell'Illinois, ha scoperto perché i nanocristalli costituiti da più componenti in soluzione tramite lo scambio di cationi (ioni positivi) sono stati scarsi emettitori di luce. Il problema, hanno trovato, deriva da impurità nel prodotto finale. Il team ha anche dimostrato che queste impurità possono essere rimosse attraverso il calore.

"Riscaldando questi nanocristalli a 100 gradi Celsius, siamo stati in grado di rimuovere le impurità e aumentare la loro luminescenza di 400 volte in 30 ore, "dice Giain, un membro del gruppo di ricerca di Alivisatos quando questo lavoro è stato fatto. "Quando le impurità sono state rimosse, le proprietà optoelettroniche dei nanocristalli realizzati attraverso lo scambio cationico erano di qualità paragonabile ai punti e ai nanotubi sintetizzati convenzionalmente".

Dice Alivisatos, "Con le nostre nuove scoperte, la tecnica dello scambio cationico diventa davvero un metodo che può essere ampiamente utilizzato per produrre nuovi nanocristalli di alto grado optoelettronico".

Jain è l'autore principale e Alivisatos l'autore corrispondente di un articolo che descrive questo lavoro sulla rivista Angewandte Chemie intitolato "Nanocristalli altamente luminescenti dalla rimozione degli atomi di impurità residui dalla sintesi dello scambio ionico". Altri autori furono Brandon Beberwyck, Lam-Kiu Fong e Mark Polking.

I punti quantici e le nanobarre sono nanocristalli semiconduttori emettitori di luce che hanno una vasta gamma di applicazioni, compreso il bio-imaging, l'energia solare e le tecnologie degli schermi. Tipicamente, questi nanocristalli sono sintetizzati da colloidi - particelle sospese in soluzione. In alternativa, Alivisatos e il suo gruppo di ricerca hanno sviluppato una nuova tecnica di sintesi basata su soluzioni in cui i nanocristalli vengono trasformati chimicamente scambiando o sostituendo tutti i cationi nel reticolo cristallino con un altro tipo di catione. Questa tecnica di scambio cationico rende possibile produrre nuovi tipi di nanocristalli core/shell che sono inaccessibili attraverso la sintesi convenzionale. I nanocristalli core/shell sono eterostrutture in cui un tipo di semiconduttore è racchiuso all'interno di un altro, Per esempio, un nucleo di seleniuro di cadmio (CdSe) e un guscio di solfuro di cadmio (CdS).

"Pur mantenendo la promessa per la fabbricazione semplice ed economica di nanocristalli multicomponenti, la tecnica dello scambio cationico ha prodotto punti quantici e nanobarre che si comportano male nei dispositivi ottici ed elettronici, "dice Alivisatos, un'autorità mondiale sulla sintesi dei nanocristalli che tiene un appuntamento congiunto con l'Università della California (UC) Berkeley, dove è il professore di nanotecnologia a Larry e Diane Bock.

Come Jain racconta la storia, era in procinto di smaltire nanocristalli CdSe/CuS in soluzione che avevano sei mesi quando per abitudine ha testato i nanocristalli sotto la luce ultravioletta. Con sua sorpresa osservò una luminescenza significativa. Le misurazioni spettrali successive e il confronto dei nuovi dati con i vecchi hanno mostrato che la luminescenza dei nanocristalli era aumentata di almeno sette volte.

"È stata una scoperta accidentale e molto eccitante, "Jain dice, "ma dal momento che nessuno vuole aspettare sei mesi prima che i loro campioni diventino di alta qualità, ho deciso di riscaldare i nanocristalli per accelerare qualsiasi processo stesse causando l'aumento della loro luminescenza".

Jain e il team hanno sospettato e il successivo studio ha confermato che le impurità - cationi originali che finiscono per essere lasciati nel reticolo cristallino durante il processo di scambio - erano i colpevoli.

"Anche poche impurità cationiche in un nanocristallo sono sufficienti per essere efficaci nell'intrappolare utili, portatori di carica energetica, " dice Jain. "Nella maggior parte dei punti quantici o nanobarre, i portatori di carica sono delocalizzati sull'intero nanocristallo, rendendo loro facile trovare le impurità, non importa quanto pochi possano essere, all'interno del nanocristallo. Riscaldando la soluzione per rimuovere queste impurità e chiudere questa intrappolamento mediata dalle impurità, diamo ai portatori di carica abbastanza tempo per combinarsi radiativamente e quindi aumentare la luminescenza".

Poiché i vettori di carica sono strumentali anche nel trasporto elettronico, prestazioni fotovoltaiche, e processi fotocatalitici, Jain afferma che l'interruzione dell'intrappolamento mediato dalle impurità dovrebbe anche aumentare queste proprietà optoelettroniche nei nanocristalli sintetizzati tramite la tecnica dello scambio cationico.