Gli scienziati di A*STAR hanno creato una "guida del prospettore" per aiutare i ricercatori a individuare i migliori nanofili di germanio-silicio per catalizzare importanti reazioni di energia pulita.

Usando la luce solare per dividere l'acqua nei suoi elementi costitutivi, o per convertire l'anidride carbonica in monossido di carbonio o idrocarburi, sono tra i metodi più praticabili per ridurre le emissioni di gas serra. Per realizzare il loro potenziale, entrambe le reazioni di energia pulita richiedono catalizzatori.

Il silicio è vantaggioso perché le sue proprietà sono ben studiate ed è un materiale abbondante, ma il "gap di banda" tra la sua banda di conduzione e quella di valenza è troppo stretto per catalizzare efficacemente queste reazioni. Questa carenza può essere superata in due modi:"nanosizzando" il silicio o sperimentando diverse leghe di silicio.

Ora, Teck Leong Tan e Man-Fai Ng dell'A*STAR Institute of High Performance Computing hanno utilizzato simulazioni al computer per esplorare l'effetto della variazione del diametro dei nanofili di germanio-silicio e anche il rapporto tra silicio e germanio sulle proprietà catalitiche della lega .

Spiegando lo scopo dello studio, Tan dice, "abbiamo pensato che variando sia il diametro del nanofilo che la composizione della lega, potremmo generare uno spazio di progettazione più ampio per l'ingegneria di un materiale con il gap di banda ottimale e le strutture di banda per fotocatalizzare le reazioni di energia pulita come la scissione dell'acqua solare e la riduzione dell'anidride carbonica".

La coppia ha combinato tre metodi computazionali consolidati per eseguire i calcoli:teoria del funzionale della densità, espansione dei cluster e simulazioni Monte Carlo. Sebbene questa combinazione di tecniche sia stata utilizzata in precedenza, i ricercatori hanno scoperto una semplice correlazione che ha permesso loro di prevedere con precisione i gap di banda utilizzando metodi computazionali più semplici. Ciò ha ridotto considerevolmente il costo computazionale, consentendo lo screening di più nanostrutture di leghe rispetto al solito.

I risultati indicano che i nanofili di germanio-silicio con diametri di tre nanometri o inferiori sono fotocatalizzatori adatti sia per la scissione dell'acqua che per la riduzione dell'anidride carbonica. I loro calcoli prevedono anche che i nanofili con strutture core-shell asimmetriche (vedi immagine) saranno più efficaci di quelli con strutture simmetriche convenzionali. Finalmente, i nanofili con diametri compresi tra 2 e 3 nanometri dovrebbero avere band gap ben adattati allo spettro della luce solare, rendendoli efficaci raccoglitori di luce.

Secondo Tan, ciò dimostra che "la combinazione delle tre tecniche fornisce una potente metodologia per lo screening ad alto rendimento di nanostrutture in lega per proprietà desiderabili. Può essere adattata ad altre applicazioni per accelerare la scoperta di nuovi materiali".

I due scienziati sono desiderosi di collaborare con gli sperimentatori per confermare le previsioni generate dai loro calcoli. Intendono anche applicare la tecnica ad altre promettenti leghe di nanofili semiconduttori.