(Phys.org) — Il prossimo passo avanti nelle tecnologie delle batterie ad alta efficienza e delle celle solari potrebbe benissimo essere costituito da cristalli nanoscopici di silicio assemblati come grattacieli su substrati a scala di wafer. Un percorso importante per la crescita di questi "baffi" su scala nanometrica, o nanofili, coinvolge le goccioline di metallo legato.

Moneesh Upmanyu, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale, ha utilizzato strumenti computazionali per comprendere le interazioni su scala atomica tra queste goccioline e la crescita dei nanofili.

"La gocciolina è in grado di svolgere più attività su più livelli, e questa è la bellezza di questa tecnica di crescita, " disse Upmanyu. "Catalizza e poi assorbe la specie in crescita dal vapore circostante, si satura, e alla fine guida la nucleazione del nanofilo in crescita, non dissimile da un getto che lascia dietro di sé un nanofilo cristallino."

La tecnica è stata sviluppata decenni fa per far crescere "baffi" di silicio che utilizzavano una goccia di metallo liquefatto per indurre le particelle di silicio vaporizzate a solidificarsi come baffi. Il percorso sintetico è ora ampiamente utilizzato per la coltivazione di nanofili per una varietà di materiali tecnologicamente importanti.

"La gocciolina alla fine dà il controllo assoluto sulla forma di crescita, eppure nessuno sapeva esattamente come scolpisce i nanofili in forme e dimensioni specifiche, " ha detto Hailong Wang, un ex studente post-dottorato all'interno del gruppo di Upmanyu e il primo autore di un articolo pubblicato di recente su questa ricerca sulla rivista Comunicazioni sulla natura . Lo studio è stato condotto in collaborazione con i ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory e della Colorado School of Mines.

"Non c'era comprensione su scala atomica, per lo più ipotesi, " ha aggiunto Upmanyu. "Smascherarli è fondamentale in quanto ci consente di controllare la forma di crescita e, come nel caso di queste piccole scale, la forma determina invariabilmente la funzione.

I ricercatori hanno scoperto che la gocciolina non si avvolge uniformemente attorno al nanofilo. Piuttosto, induce l'estremità crescente del nanofilo a sfaccettarsi in bordi smussati in modo non uniforme. "Questa collezione di bordi troncati ha lo stesso scopo delle spirali di Archimede che facilitano la crescita di cristalli su macroscala, e questa è una parte fondamentale del puzzle per la crescita su larga scala di questi cristalli con forma prescritta, " disse Upmanyu. Mentre la gocciolina raccoglie le particelle vaporizzate nel suo stato liquido, iniziano a saturare il sistema e precipitano per formare il filo solido. La precipitazione è molto più rapida sui bordi smussati, che alla fine portano alla crescita strato per strato del nanofilo.

Con questa nuova comprensione, i ricercatori possono iniziare a sviluppare strutture cristalline molto specifiche, che vanno da efficienti pannelli solari all'illuminazione a LED, a prezzi relativamente economici. Upmanyu ha già iniziato a collaborare con altri ricercatori del Northeastern, dai fisici ai biologi, per "scolpire" nanofili con particolari proprietà.

"Una comprensione fondamentale della crescita dei nanocristalli rimane una sfida, poiché i processi chiave richiedono uno sforzo interdisciplinare, " ha detto Upmanyu. "Oltre a strumenti e algoritmi di calcolo all'avanguardia, coinvolge elementi di chimica della crescita, metallurgia delle leghe, e scienza della superficie."