Tutti i materiali sono costituiti da atomi, che vibrano. Queste vibrazioni, o "fononi", sono responsabili, Per esempio, per come la carica elettrica e il calore vengono trasportati nei materiali. Vibrazioni dei metalli, semiconduttori, e gli isolanti sono ben studiati; però, ora i materiali vengono nanodimensionati per offrire prestazioni migliori ad applicazioni come display, sensori, batterie, e membrane catalitiche. Cosa succede alle vibrazioni quando un materiale viene nanodimensionato fino ad ora non è stato compreso.

Le superfici morbide vibrano fortemente

In una recente pubblicazione in Natura , La professoressa dell'ETH Vanessa Wood e i suoi colleghi spiegano cosa succede alle vibrazioni atomiche quando i materiali sono di dimensioni nanometriche e come questa conoscenza può essere utilizzata per progettare sistematicamente nanomateriali per diverse applicazioni.

L'articolo mostra che quando i materiali sono realizzati con dimensioni inferiori a circa 10-20 nanometri, ovvero, 5, 000 volte più sottile dell'aria umana:le vibrazioni degli strati atomici più esterni sulla superficie della nanoparticella sono grandi e svolgono un ruolo importante nel comportamento di questo materiale.

"Per alcune applicazioni, come catalisi, termoelettrici, o superconduttività, queste grandi vibrazioni possono essere buone, ma per altre applicazioni come LED o celle solari, queste vibrazioni sono indesiderabili, " spiega Wood.

Infatti, il documento spiega perché le celle solari a base di nanoparticelle fino ad ora non hanno soddisfatto appieno le loro promesse. I ricercatori hanno dimostrato utilizzando sia l'esperimento che la teoria che le vibrazioni superficiali interagiscono con gli elettroni per ridurre la fotocorrente nelle celle solari.

"Ora che abbiamo dimostrato che le vibrazioni superficiali sono importanti, possiamo progettare sistematicamente materiali per sopprimere o migliorare queste vibrazioni, "dice Legno.

Migliorare le celle solari

Il gruppo di ricerca di Wood ha lavorato a lungo su un particolare tipo di nanomateriale, i nanocristalli colloidali, i semiconduttori con un diametro compreso tra 2 e 10 nanometri. Questi materiali sono interessanti perché le loro proprietà ottiche ed elettriche dipendono dalle loro dimensioni, che possono essere facilmente modificati durante la loro sintesi.

Questi materiali sono ora utilizzati commercialmente come emettitori di luce rossa e verde nei televisori a LED e vengono esplorati come possibili materiali a basso costo, celle solari trattate in soluzione. I ricercatori hanno notato che posizionare determinati atomi attorno alla superficie del nanocristallo può migliorare le prestazioni delle celle solari. Il motivo per cui questo ha funzionato non era stato compreso. L'opera pubblicata su Natura la carta ora dà la risposta:un guscio duro di atomi può sopprimere le vibrazioni e la loro interazione con gli elettroni. Ciò significa una fotocorrente più elevata e una cella solare a maggiore efficienza.

Una grande scienza per studiare la nanoscala

Gli esperimenti sono stati condotti nei laboratori del professor Wood presso l'ETH di Zurigo e presso la Swiss Spallation Neutron Source del Paul Scherrer Institute. Osservando come i neutroni disperdono gli atomi in un materiale, è possibile quantificare come vibrano gli atomi in un materiale. Per comprendere le misurazioni dei neutroni, le simulazioni delle vibrazioni atomiche sono state eseguite presso il Centro nazionale svizzero di supercalcolo (CSCS) a Lugano. legno dice, "senza accesso a queste grandi strutture, questo lavoro non sarebbe stato possibile. Siamo incredibilmente fortunati qui in Svizzera ad avere queste strutture di livello mondiale".