Un team di chimici dei materiali, scienziati dei polimeri, i fisici dei dispositivi e altri presso l'Università del Massachusetts Amherst riportano oggi una tecnica rivoluzionaria per il controllo dell'assemblaggio molecolare delle nanoparticelle su scale di lunghezza multiple che dovrebbero consentire una più rapida, più economico, produzione più ecologica di pannelli fotovoltaici organici e altri dispositivi elettronici. I dettagli sono nell'attuale numero di Nano lettere .

Investigatore capo, chimico Dhandapani Venkataraman, sottolinea che le nuove tecniche affrontano con successo due obiettivi principali per la produzione di dispositivi:controllare l'assemblaggio molecolare ed evitare solventi tossici come il clorobenzene. "Ora abbiamo un modo razionale per controllare questo assemblaggio in un sistema a base d'acqua, " dice. "È un modo completamente nuovo di guardare ai problemi. Con questa tecnica possiamo forzarlo nella struttura esatta che desideri."

Il chimico dei materiali Paul Lahti, co-direttore con Thomas Russell dell'Energy Frontiers Research Center (EFRC) di UMass Amherst, supportato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, dice, "Una delle grandi implicazioni di questo lavoro è che va ben oltre il fotovoltaico organico o le celle solari, dove questo anticipo viene applicato in questo momento. Guardando il quadro più grande, questa tecnica offre un molto promettente, nuovo approccio flessibile ed ecologico all'assemblaggio dei materiali per realizzare le strutture dei dispositivi."

Lahti paragona i progressi del team di UMass Amherst nella scienza dei materiali al tipo di benefici che l'industria delle costruzioni ha visto con le unità prefabbricate. "Questa strategia è proprio lungo quella linea filosofica generale, " dice. "Il nostro gruppo ha scoperto un modo per utilizzare l'impaccamento di sfere per far sì che tutti i tipi di materiali si comportino in una soluzione acquosa prima di essere spruzzati su superfici in strati sottili e assemblati in un modulo. Stiamo preassemblando alcuni elementi costitutivi di base con alcune caratteristiche prevedibili, che sono quindi disponibili per costruire il tuo dispositivo complesso."

"Qualcuno deve ancora collegarlo e sistemarlo come vuole, " Lahti aggiunge. "Non è finito, ma molte parti sono premontate. E puoi ordinare le caratteristiche di cui hai bisogno, Per esempio, una certa direzione o forza del flusso di elettroni. Tutti i moduli possono essere sintonizzati per avere la capacità di fornire disponibilità di elettroni in un certo modo. La disponibilità può essere modificata, e abbiamo dimostrato che funziona".

Il nuovo metodo dovrebbe ridurre il tempo che le aziende manifatturiere nano impiegano nella ricerca per tentativi ed errori di materiali per realizzare dispositivi elettronici come celle solari, transistor organici e diodi organici a emissione di luce. "Il vecchio modo può richiedere anni, "Lahti dice.

"Un altro dei nostri obiettivi principali è quello di realizzare qualcosa che possa essere scalato dalla nanoscala alla mesoscala, e il nostro metodo lo fa. È anche molto più ecologico perché nel processo utilizziamo acqua invece di solventi pericolosi, " Aggiunge.

Per il fotovoltaico, Venkataraman sottolinea, "La prossima cosa è creare dispositivi con altri polimeri in arrivo, per aumentare l'efficienza di conversione di potenza e realizzarli su substrati flessibili. In questo articolo abbiamo lavorato sul vetro, ma vogliamo tradurre in materiali flessibili e produrre materiali fabbricati roll-to-roll con acqua. Ci aspettiamo di ottenere effettivamente un'efficienza molto maggiore." Suggerisce che raggiungere il 5% di efficienza di conversione della potenza giustificherebbe l'investimento per realizzare piccoli, pannelli solari flessibili per alimentare dispositivi come gli smartphone.

Se lo smartphone medio utilizza 5 watt di potenza e tutti i 307 milioni di utenti degli Stati Uniti passano dalle batterie al solare flessibile, potrebbe risparmiare più di 1500 megawatt all'anno. "È quasi il rendimento di una centrale nucleare, "Venkataraman dice, "ed è più drammatico se si considera che le centrali elettriche a carbone generano 1 megawatt e ne rilasciano 2, 250 libbre. di anidride carbonica. So if a fraction of the 6.6 billion mobile phone users globally changed to solar, it would reduce our carbon footprint a lot."

Doctoral student and first author Tim Gehan says that organic solar cells made in this way can be semi-transparent, anche, "so you could replace tinted windows in a skyscraper and have them all producing electricity during the day when it's needed. And processing is much cheaper and cleaner with our cells than in traditional methods."

Venkataraman credits organic materials chemist Gehan, with postdoctoral fellow and device physicist Monojit Bag, with making "crucial observations" and using "persistent detective work" to get past various roadblocks in the experiments. "These two were outstanding in helping this story move ahead, " he notes. For their part, Gehan and Bag say they got critical help from the Amherst Fire Department, which loaned them an infrared camera to pinpoint some problem hot spots on a device.

It was Bag who put similar sized and charged nanoparticles together to form a building block, then used an artist's airbrush to spray layers of electrical circuits atop each other to create a solar-powered device. Lui dice, "Here we pre-formed structures at nanoscale so they will form a known structure assembled at the meso scale, from which you can make a device. Prima, you just hoped your two components in solution would form the right mesostructure, but with this technique we can direct it to that end."