È più facile sciogliere una zolletta di zucchero in un bicchiere d'acqua schiacciando prima la zolletta, perché le numerose minuscole particelle coprono più superficie nell'acqua rispetto al cubo stesso. In un modo, lo stesso principio vale per il valore potenziale dei materiali composti da nanoparticelle.

Poiché le nanoparticelle sono così piccole, milioni di volte più piccolo della larghezza di un capello umano, hanno "una superficie enorme, " aumentare la possibilità di usarli per progettare materiali con percorsi di energia solare-elettricità e solare-chimici più efficienti, dice Ari Chakraborty, un assistente professore di chimica alla Syracuse University.

"Sono materiali molto promettenti, " dice. "Puoi ottimizzare la quantità di energia che produci da una cella solare basata su nanoparticelle".

Chakraborty, un esperto di chimica fisica e teorica, meccanica quantistica e nanomateriali, sta cercando di capire come queste nanoparticelle interagiscono con la luce dopo aver cambiato forma e dimensione, che significa, Per esempio, alla fine potrebbero fornire proprietà fotovoltaiche migliorate e di raccolta della luce. Cambiare la loro forma e dimensione è possibile "senza cambiare la loro composizione chimica, " dice. "Lo stesso composto chimico in diverse dimensioni e forme interagirà in modo diverso con la luce".

Nello specifico, lo scienziato finanziato dalla National Science Foundation (NSF) si sta concentrando sui punti quantici, che sono cristalli semiconduttori su scala nanometrica. I punti quantici sono così piccoli che gli elettroni al loro interno esistono solo in stati con energie specifiche. Come tale, i punti quantici si comportano in modo simile agli atomi, e, come atomi, possono raggiungere livelli di energia più elevati quando la luce li stimola.

Chakraborty lavora in chimica teorica e computazionale, che significa "lavoriamo solo con computer e computer, " dice. "L'obiettivo della chimica computazionale è quello di utilizzare le leggi fondamentali della fisica per capire come la materia interagisce tra loro, e, nella mia ricerca, con la luce. Vogliamo prevedere i processi chimici prima che si verifichino effettivamente in laboratorio, che ci dice quale direzione seguire".

Questi atomi e molecole seguono le leggi naturali del moto, "e sappiamo cosa sono, "dice. "Purtroppo, sono troppo complicati per essere risolti a mano o con il calcolatore quando applicati a sistemi chimici, ecco perché usiamo un computer."

Gli stati "eccitati elettronicamente" delle nanoparticelle influenzano le loro proprietà ottiche, lui dice.

"Indaghiamo questi stati eccitati risolvendo l'equazione di Schrödinger per le nanoparticelle, " lui dice, riferendosi a un'equazione differenziale parziale che descrive come lo stato quantistico di alcuni sistemi fisici cambia nel tempo. "L'equazione di Schrödinger fornisce la descrizione della meccanica quantistica di tutti gli elettroni nella nanoparticella.

"Però, la soluzione accurata dell'equazione di Schrödinger è impegnativa a causa del gran numero di elettroni nel sistema, " aggiunge. "Ad esempio, un punto quantico CdSe di 20 nanometri contiene oltre 6 milioni di elettroni. Attualmente, l'obiettivo principale del mio gruppo di ricerca è sviluppare nuovi metodi di chimica quantistica per affrontare queste sfide. I metodi di nuova concezione sono implementati in software computazionale open source, che sarà distribuito gratuitamente al pubblico in generale."

Solare voltaico, "richiede una sostanza che catturi la luce, lo usa, e trasferisce quell'energia in energia elettrica, " dice. Con i materiali delle celle solari fatti di nanoparticelle, "puoi usare diverse forme e dimensioni, e catturare più energia, " aggiunge. "Inoltre, puoi avere una grande superficie per una piccola quantità di materiali, quindi non te ne servono molti."

Le nanoparticelle potrebbero anche essere utili per convertire l'energia solare in energia chimica, lui dice. "Come immagazzinare l'energia quando non c'è il sole?" lui dice. "Per esempio, le foglie di un albero prendono energia e la immagazzinano sotto forma di glucosio, quindi in seguito utilizzare il glucosio per il cibo. Una potenziale applicazione è lo sviluppo di foglie artificiali per la fotosintesi artificiale. C'è una vasta area di ricerca in corso per produrre composti in grado di immagazzinare energia".

L'imaging medico presenta un'altra utile potenziale applicazione, lui dice.

"Per esempio, le nanoparticelle sono state rivestite con agenti leganti che si legano alle cellule cancerose, " dice. "In determinate condizioni chimiche e fisiche, le nanoparticelle possono essere sintonizzate per emettere luce, che ci permette di fotografare le nanoparticelle. Potresti individuare le aree in cui ci sono cellule cancerose nel corpo. Le regioni in cui si trovano le cellule cancerose appaiono come punti luminosi nella fotografia".

Chakraborty sta conducendo la sua ricerca nell'ambito di un premio NSF Faculty Early Career Development (CAREER). Il premio sostiene i docenti junior che esemplificano il ruolo degli insegnanti-studiosi attraverso ricerche eccezionali, formazione eccellente e l'integrazione dell'istruzione e della ricerca nel contesto della missione della loro organizzazione. NSF sta finanziando il suo lavoro con $ 622, 123 in cinque anni.

Come parte della componente educativa della sovvenzione, Chakraborty ospita diversi studenti di una scuola superiore locale, la East Syracuse Mineoa High School, nel suo laboratorio. Ha anche organizzato due workshop per insegnanti delle scuole superiori su come utilizzare gli strumenti di calcolo nelle loro classi "per rendere la chimica più interessante e intuitiva per gli studenti delle scuole superiori, " lui dice.

"La parte davvero buona è che i bambini possono davvero lavorare con le molecole perché possono vederle sullo schermo e manipolarle nello spazio 3D, " aggiunge. "Possono esplorare la loro struttura utilizzando i computer. Possono misurare distanze, angoli, ed energie associate alle molecole, cosa che non è possibile fare con un modello fisico. possono allungarlo, e vederlo tornare alla sua struttura originale. È una vera esperienza pratica che i bambini possono vivere mentre imparano la chimica".