Un team di ricercatori guidato dal professore dell'ETH di Zurigo David Norris ha sviluppato un modello per chiarire il meccanismo generale della formazione delle nanopiastrine. Usando la pirite, sono anche riusciti a confermare la loro teoria.

Gli scienziati hanno svolto ricerche sui punti quantici colorati luminosi (QD) dagli anni '80. Questi nanocristalli fanno ormai parte della nostra vita quotidiana:l'industria elettronica li utilizza nei televisori LCD per migliorare la riproduzione dei colori e la qualità dell'immagine.

I punti quantici sono nanocristalli sferici costituiti da un materiale semiconduttore. Quando questi cristalli sono eccitati dalla luce, si illuminano di verde o di rosso, a seconda delle loro dimensioni, che è tipicamente compreso tra 2 e 10 nanometri. Le forme sferiche possono essere prodotte in modo altamente controllato.

Cristalli ultrasottili rettangolari

Alcuni anni fa, un nuovo tipo di nanocristallo ha attirato l'attenzione dei ricercatori più o meno per caso:le nanopiastrine. Come punti quantici, queste strutture bidimensionali hanno una dimensione di pochi nanometri, ma hanno un piatto più uniforme, forma rettangolare. Sono estremamente sottili, spesso solo la larghezza di pochi strati atomici, conferendo alle piastrine una delle loro proprietà più sorprendenti:il loro colore estremamente puro.

Finora il meccanismo che spiega come si formano tali piastrine è stato un mistero. In collaborazione con un ricercatore statunitense, Il professore dell'ETH David Norris e il suo team hanno ora risolto questo mistero:"Ora sappiamo che non c'è nessuna magia coinvolta nella produzione di nanopiastrine, solo scienza" ha sottolineato il Professore di Ingegneria dei Materiali.

In uno studio appena pubblicato sulla rivista scientifica Materiali della natura , i ricercatori mostrano come le nanopiastrine di seleniuro di cadmio assumono la loro particolare forma piatta.

Crescita senza un modello

I ricercatori avevano precedentemente ipotizzato che questo modulo estremamente preciso richiedesse un tipo di modello. Gli scienziati sospettavano che una miscela di composti speciali e solventi producesse uno stampo in cui si formassero poi questi nanocristalli piatti.

Però, Norris e i suoi colleghi non hanno trovato prove che tali modelli di forma avessero un ruolo. Anzi, hanno scoperto che le piastrine possono crescere attraverso la semplice fusione delle sostanze grezze carbossilato di cadmio e selenio, senza alcun tipo di solvente.

Modello di crescita teorico ideato

Il team ha quindi preso queste conoscenze e ha sviluppato un modello teorico per simulare la crescita delle piastrine. Grazie a questo modello, gli scienziati mostrano che un nucleo cristallizzato si forma spontaneamente con pochi atomi di cadmio e selenio. Questo nucleo cristallizzato può dissolversi di nuovo e riconfigurarsi in una forma diversa. Però, una volta che ha superato una dimensione critica, cresce fino a formare una piastrina.

Per motivi energetici, il cristallo piatto cresce solo dal suo lato stretto, fino a 1, 000 volte più veloce che sul lato piatto. La crescita sul lato piatto è significativamente più lenta perché coinvolgerebbe più atomi scarsamente legati sulla superficie, richiedono energia per stabilizzarli.

Modello verificato sperimentalmente

In definitiva, i ricercatori sono anche riusciti a confermare sperimentalmente il loro modello creando nanopiastrine di pirite (FeS2) in laboratorio. Hanno prodotto le piastrine esattamente secondo la previsione del modello utilizzando ioni ferro e zolfo come sostanze di base.

"È molto interessante che siamo stati in grado di produrre questi cristalli per la prima volta con la pirite, " dice Norris. "Questo ci ha mostrato che possiamo espandere la nostra ricerca ad altri materiali." Il seleniuro di cadmio è il materiale semiconduttore più comune utilizzato nella ricerca dei nanocristalli; tuttavia, è altamente tossico e quindi inadatto all'uso quotidiano. L'obiettivo dei ricercatori è produrre nanopiastrine realizzate con sostanze meno tossiche o non tossiche.

Dare il via libera all'ulteriore sviluppo

Attualmente, Norris può solo speculare sul potenziale futuro delle nanopiastrine. Dice che potrebbero essere un'alternativa interessante ai punti quantici in quanto offrono diversi vantaggi; Per esempio, possono generare colori come il verde in modo migliore e più brillante. Inoltre trasmettono energia in modo più efficiente, che li rende ideali per l'uso in celle solari, e sarebbero anche adatti per i laser.

Però, hanno anche diversi svantaggi. punti quantici, Per esempio, consentono un colore infinitamente variabile attraverso la formazione di cristalli di dimensioni variabili. Non così nel caso delle piastrine:a causa della stratificazione degli strati atomici, il colore può essere cambiato solo in modo incrementale. Fortunatamente, questa limitazione può essere mitigata con alcuni "trucchi":incapsulando le piastrine in un altro semiconduttore, la lunghezza d'onda della luce emessa può essere sintonizzata con maggiore precisione.

Solo il tempo dirà se questa scoperta attirerà l'interesse del settore display. Alcune aziende attualmente utilizzano la tecnologia LED organico (OLED), mentre altri usano punti quantici. Come si evolverà la tecnologia non è chiaro. Però, la capacità di studiare un'ampia varietà di materiali nanopiastrinici grazie a questo lavoro può fornire all'approccio dei nanocristalli semiconduttori un nuovo vantaggio.