Gli scienziati dei materiali si aspettano che le nuove proprietà multifunzionali delle nanostrutture ibride trasformeranno lo sviluppo di dispositivi ad alte prestazioni, comprese le batterie, sensori ad alta sensibilità e celle solari. Queste nanostrutture autoassemblanti sono generalmente generate depositando oggetti ultrapiccoli con proprietà diverse sulle superfici di minuscoli fili semiconduttori. Però, i fattori che ne governano la formazione restano sfuggenti, rendendo queste strutture difficili da controllare e progettare.

Per colmare questa lacuna, Bharathi Srinivasan e collaboratori dell'A*STAR Institute of High Performance Computing hanno sviluppato un approccio computazionale che fa luce sull'autoassemblaggio di queste nanostrutture su o poligonale, nanofili. Hanno prima identificato come i diversi modelli di nanostrutture crescono sui nanofili eseguendo calcoli energetici in un'analisi teorica prima di analizzare questi modelli eseguendo simulazioni numeriche.

Il team di Srinivasan ha progettato modelli bidimensionali e tridimensionali (2D e 3D) di nanofili con un quadrato, nucleo esagonale o ottagonale circondato da varie configurazioni di conchiglie. L'analisi dei profili energetici di queste configurazioni ha mostrato che i ricercatori potevano controllare la morfologia del guscio modificando la dimensione del nucleo. L'analisi teorica ha anche rivelato le transizioni tra queste diverse configurazioni, una preziosa visione del meccanismo di autoassemblaggio.

Per la simulazione numerica, i ricercatori hanno costruito un modello di "campo di fase", che definiva matematicamente le transizioni di fase del materiale del guscio. Ciò ha permesso loro di simulare il processo di autoassemblaggio delle nanostrutture sui nanofili dopo aver depositato il "seme" sotto forma di "punti quantici", che sono semiconduttori in miniatura. Le equazioni utilizzate nella simulazione descrivono sia la termodinamica che la cinetica dell'autoassemblaggio, Note di Srinivasan.

Entrambe le simulazioni 2D e 3D hanno mostrato che i gusci depositati hanno subito trasformazioni morfologiche che rispecchiavano i calcoli energetici. Nella fase di deposizione iniziale, la gamma di dimensioni più basse, i gusci erano costituiti da cilindri perfetti nel modello 2D, e formavano anelli ultrapiccoli, o "nanoring", impilati lungo la direzione verticale del nanofilo, nel modello 3D.

Man mano che il nucleo si espandeva, i modelli 2D indicavano che i gusci potevano rompersi in fili più piccoli. Per i nuclei di dimensioni intermedie, ogni filo si trovava ai lati del nucleo. Per i nuclei di dimensioni maggiori, si sedevano agli angoli. Nelle simulazioni 3D, i nanoanelli si sono divisi in punti quantici che si sono materializzati in colonne sulle sfaccettature dei nanofili e sono migrati verso le creste dopo un'ulteriore crescita (vedi immagine). Le simulazioni del trattamento termico hanno prodotto le stesse configurazioni di quelle durante la crescita.

"Il nostro lavoro futuro [sarà] capire la crescita di diverse nanostrutture ibride, compresi i punti quantici sulle conchiglie, nanoanelli e altri punti quantici, "dice Srinivasan.