(Phys.org)—Tre professori di chimica dell'Università di Chicago sperano che i loro percorsi di ricerca separati convergano per creare un nuovo modo di assemblare quelli che chiamano "atomi di design" in materiali con un'ampia gamma di proprietà e funzioni potenzialmente utili.

Questi "atomi di design" sarebbero nanocristalli, matrici cristalline di atomi destinati a essere manipolati in modi che vanno oltre gli usi standard degli atomi nella tavola periodica. Tali array sarebbero adatti per affrontare le sfide dell'energia solare, informatica quantistica e materiali funzionali.

I partner del progetto sono il Prof. David Mazziotti, e Professori Associati Greg Engel e Dmitri Talapin. Tutti e tre hanno fatto progressi chiave che sono fondamentali per portare avanti il ​​progetto. Ora, con $ 1 milione di finanziamenti dalla W. M. Keck Foundation, possono costruire sui loro progressi separati in modo concertato verso un nuovo obiettivo.

"Se guardi alla storia della scienza, uno sviluppo importante inizia con persone di diversa estrazione che parlano tra loro e imparano gli uni dagli altri e fanno qualcosa di veramente rivoluzionario piuttosto che incrementale, " ha detto Talapin.

Gli sviluppi nel laboratorio di Talapin costituiscono il nucleo del progetto. Un chimico inorganico sintetico, è specializzato nella creazione di nanocristalli progettati con precisione con caratteristiche ben definite.

I nanocristalli sono costituiti da centinaia o migliaia di atomi. Questo è abbastanza piccolo da far emergere nuovi fenomeni quantistici, ma abbastanza grande da fornire comodi "moduli" per la progettazione di nuovi materiali. "È una combinazione interessante in quanto si costruiscono materiali non da singoli atomi, ma dalle unità che assomigliano agli atomi in molti modi ma si comportano anche come un metallo, semiconduttore o magnete. È un po' folle, " ha detto Talapin.

Il potenziale delle nuove disposizioni può superare quello degli elementi esistenti. I chimici non possono mettere a punto le proprietà dell'idrogeno o dell'elio, Per esempio, ma possono mettere a punto le proprietà dei nanocristalli.

"Costruisci la chimica dagli atomi, e la meccanica quantistica fornisce i principi per farlo, " disse Mazziotti, riferendosi alle leggi della fisica che dominano il mondo su scale ultra-piccole. "Nello stesso modo, prevediamo enormi opportunità in termini di utilizzo di array nanocristallini e nanocristalli come elementi costitutivi di nuove strutture in cui li assembliamo in sistemi fortemente correlati".

Mattoni nanocristallini

L'essenza della forte correlazione, di legami chimici, della chimica in generale, sono le connessioni tra le particelle e il modo in cui le proprietà di queste particelle cambiano quando si legano l'una all'altra, Engel ha notato. "Si tratta di nuove proprietà emergenti provenienti da una forte miscelazione tra gli stati elettronici delle particelle, allo stesso modo in cui due atomi si uniscono per formare una molecola, " Egli ha detto.

I gas di idrogeno e ossigeno hanno proprietà molto diverse. Tuttavia, quando due atomi di idrogeno condividono gli elettroni con un atomo di ossigeno, formano acqua. L'ambizione del trio di UChicago è di estendere questo quadro dal livello dei singoli atomi al livello dei piccoli, oggetti funzionali, come semiconduttori metallici o magnetici.

La chiave del loro progetto è controllare il grado di correlazione tra gli elettroni su diversi nanocristalli. Nel 2009, Talapin e i suoi collaboratori hanno sviluppato un modo per controllare i movimenti degli elettroni mentre si spostano da un nanocristallo all'altro. La loro "colla elettronica" consente ai nanocristalli semiconduttori di trasferire in modo efficiente le loro cariche elettriche l'uno all'altro, un passo importante nella sintesi di nuovi materiali.

"Quella colla è fornita da una speciale messa a punto del comportamento degli elettroni, "Ha detto Mazziotti. "Vuoi che gli elettroni abbiano i loro moti correlati in un modo speciale per consentire il trasferimento efficiente di quell'energia da un nanocristallo all'altro".

Ottenere un maggiore controllo degli elettroni correlati, quelli i cui movimenti sono collegati tra loro, su diversi nanocristalli è la chiave del successo del progetto Keck.

"Se possiamo migliorarlo, quindi possiamo essenzialmente sviluppare un'intera gamma di nuovi materiali che derivano essenzialmente dall'uso dei nanocristalli come elementi costitutivi e dalla forte correlazione come modo di sintonizzazione, essenzialmente, il grado in cui o come parlano tra loro, Mazziotti ha detto. "Vogliamo un trasferimento davvero efficiente di energia e informazioni tra le diverse unità. Precedentemente nell'area degli array nanocristallini, i nanocristalli comunicavano tra loro solo molto debolmente."

Sviluppo di una nuova tavolozza

Mazziotti ed Engel portano progressi teorici e spettroscopici, rispettivamente, alla collaborazione. Il progresso di Mazziotti fornisce un'alternativa agli approcci tradizionali al calcolo di elettroni fortemente correlati nelle molecole, che scala esponenzialmente con il numero di elettroni. Ha risolto un problema di vecchia data che consente calcoli utilizzando solo due degli elettroni di una molecola, che riduce drasticamente il costo computazionale.

I suoi studi sulla bioluminescenza delle lucciole e altri fenomeni hanno dimostrato che man mano che i sistemi molecolari si ingrandiscono, le forti correlazioni tra gli elettroni diventano più potenti e aprono nuove possibilità per il comportamento emergente. Nel contesto di un materiale semiconduttore come il silicio, comportamento emergente è il modo in cui le singole nanoparticelle perdono effettivamente la loro identità, dando origine a proprietà collettive in nuovi materiali.

"Man mano che la dimensione di un sistema molecolare aumenta, vediamo l'emergere di nuovi comportamenti fisici e l'importanza di una forte correlazione degli elettroni, " Ha detto Mazziotti. "L'importanza di una forte correlazione aumenta notevolmente con le dimensioni del sistema".

Il progresso nel gruppo di ricerca di Engel è stato lo sviluppo di una tecnica chiamata spettroscopia GRadient-Assisted Photon Echo (GRAPE), che prende in prestito idee dalla risonanza magnetica ma viene utilizzato per la spettroscopia piuttosto che per l'imaging medico. Engel ha già utilizzato GRAPE per osservare il movimento correlato e l'accoppiamento tra cromofori, che sono molecole che assorbono la luce. Ora applicherà la tecnica ai nanocristalli.

"Questo, per la prima volta, ci permetterà di vedere davvero la natura diretta dell'accoppiamento elettronico che è al centro di questa idea di nuovi concetti di legame negli atomi di design, " Disse Engel. "Saremo in grado di fornire le prove sperimentali che uniranno la teoria che David sta sviluppando con le nuove strutture che Dmitri sta costruendo".