I nanofili - fibre microscopiche che possono essere "coltivate" in laboratorio - sono oggi un argomento di ricerca caldo, con una varietà di potenziali applicazioni tra cui diodi emettitori di luce (LED) e sensori. Ora, un team di ricercatori del MIT ha trovato un modo per controllare con precisione la larghezza e la composizione di questi minuscoli filamenti mentre crescono, rendendo possibile la crescita di strutture complesse progettate in modo ottimale per applicazioni particolari.

I risultati sono descritti in un nuovo articolo scritto dall'assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali del MIT Silvija Gradečak e dal suo team, pubblicato sulla rivista Nano lettere .

I nanofili sono stati di grande interesse perché strutture con dimensioni così piccole - in genere solo poche decine di nanometri, o miliardesimi di metro, di diametro - può avere proprietà molto diverse da quelle che hanno gli stessi materiali nella loro forma più grande. Ciò è in parte dovuto al fatto che su scale così minuscole, gli effetti di confinamento quantistico - basati sul comportamento di elettroni e fononi all'interno del materiale - iniziano a svolgere un ruolo significativo nel comportamento del materiale, che può influenzare il modo in cui conduce elettricità e calore o interagisce con la luce.

Inoltre, perché i nanofili hanno una superficie particolarmente grande in relazione al loro volume, sono particolarmente adatti per essere utilizzati come sensori, dice Gradečak.

Il suo team è stato in grado di controllare e variare sia la dimensione che la composizione dei singoli fili man mano che crescevano. I nanofili vengono coltivati ​​utilizzando particelle "seme", nanoparticelle metalliche che determinano la dimensione e la composizione del nanofilo. Regolando la quantità di gas utilizzati nella crescita dei nanofili, Gradečak e il suo team sono stati in grado di controllare la dimensione e la composizione delle particelle di semi e, perciò, i nanofili man mano che crescevano. “Siamo in grado di controllare entrambe queste proprietà contemporaneamente, " lei dice. Mentre i ricercatori hanno condotto i loro esperimenti di crescita dei nanofili con nitruro di indio e nitruro di indio gallio, dicono che la stessa tecnica potrebbe essere applicata a una varietà di materiali diversi.

Questi nanofili sono troppo piccoli per essere visti ad occhio nudo, ma il team è stato in grado di osservarli utilizzando la microscopia elettronica, apportare modifiche al processo di crescita in base a ciò che hanno appreso sui modelli di crescita. Utilizzando un processo chiamato tomografia elettronica, sono stati in grado di ricostruire la forma tridimensionale dei singoli fili su nanoscala. In uno studio correlato recentemente pubblicato sulla rivista Nanoscala , il team ha anche utilizzato una tecnica di microscopia elettronica unica chiamata catodoluminescenza per osservare quali lunghezze d'onda della luce vengono emesse dalle diverse regioni dei singoli nanofili.

Nanofili strutturati in modo preciso potrebbero facilitare una nuova generazione di dispositivi a semiconduttore, dice Gradečak. Tale controllo della geometria e della composizione dei nanofili potrebbe consentire dispositivi con funzionalità migliori rispetto ai dispositivi convenzionali a film sottile realizzati con gli stessi materiali, lei dice.

Una probabile applicazione dei materiali sviluppati da Gradečak e dal suo team è nelle lampadine a LED, che hanno una durata di gran lunga maggiore e sono più efficienti dal punto di vista energetico rispetto ad altre alternative di illuminazione. I colori più importanti della luce da produrre dai LED sono nella gamma del blu e dell'ultravioletto; i nanofili di ossido di zinco e nitruro di gallio prodotti dal gruppo MIT possono potenzialmente produrre questi colori in modo molto efficiente e a basso costo, lei dice.

Mentre le lampadine a LED sono disponibili oggi, sono relativamente costosi. “Per le applicazioni quotidiane, l'alto costo è una barriera, ” dice Gradečak. Un grande vantaggio di questo nuovo approccio è che potrebbe consentire l'uso di materiali di substrato molto meno costosi - una parte importante del costo di tali dispositivi, che oggi utilizzano tipicamente substrati in zaffiro o carburo di silicio. I dispositivi a nanofili hanno il potenziale per essere anche più efficienti, lei dice.

Tali nanofili potrebbero anche trovare applicazioni nei collettori di energia solare per pannelli solari a basso costo. Essere in grado di controllare la forma e la composizione dei fili man mano che crescono potrebbe consentire di produrre collettori molto efficienti:i singoli fili formano cristalli singoli privi di difetti, riducendo l'energia persa a causa di difetti nella struttura delle celle solari convenzionali. E controllando le dimensioni esatte dei nanofili, è possibile controllare su quali lunghezze d'onda della luce sono "sintonizzati", sia per produrre luce in un LED o per raccogliere luce in un pannello solare.

Strutture complesse fatte di nanofili con diametri variabili potrebbero essere utili anche in nuovi dispositivi termoelettrici per catturare il calore di scarto e trasformarlo in energia elettrica utile. Variando la composizione e il diametro dei fili lungo la loro lunghezza, è possibile produrre fili che conducono bene l'elettricità ma riscaldano male, una combinazione difficile da ottenere nella maggior parte dei materiali, ma è la chiave per sistemi di generazione termoelettrici efficienti.

I nanofili possono essere prodotti utilizzando strumenti già in uso nell'industria dei semiconduttori, quindi i dispositivi dovrebbero essere relativamente facili da preparare per la produzione di massa, dice la squadra.

Zhong Lin Wang, il Regents' Professor e Hightower Chair in Materials Science and Engineering presso il Georgia Institute of Technology, afferma che essere in grado di controllare la struttura e la composizione dei nanofili è “di vitale importanza per il controllo delle loro proprietà su scala nanometrica. La messa a punto del comportamento di crescita" di questi materiali "apre la possibilità di fabbricare nuovi dispositivi optoelettronici che potrebbero avere prestazioni superiori".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.