I ricercatori di NC State hanno sviluppato un sistema microfluidico per sintetizzare punti quantici di perovskite che riduce drasticamente i costi di produzione, può essere sintonizzato su richiesta su qualsiasi colore e consente il monitoraggio del processo in tempo reale per garantire il controllo della qualità. Credito:Milad Abolhasani, Università statale della Carolina del Nord
I ricercatori della North Carolina State University hanno sviluppato un sistema microfluidico per sintetizzare punti quantici di perovskite nell'intero spettro della luce visibile. Il sistema riduce drasticamente i costi di produzione, può essere sintonizzato su richiesta su qualsiasi colore e consente il monitoraggio del processo in tempo reale per garantire il controllo della qualità.
Negli ultimi due decenni, nanocristalli semiconduttori colloidali, noti come punti quantici (QD), sono emersi come nuovi materiali per applicazioni che vanno dal rilevamento biologico e l'imaging ai display a LED e alla raccolta di energia solare. Il nuovo sistema può essere utilizzato per produrre continuamente QD di alta qualità da utilizzare in queste applicazioni.
"Chiamiamo questo sistema la fabbrica di nanocristalli (NC), e si basa sulla piattaforma microfluidica NanoRobo che abbiamo presentato nel 2017, "dice Milad Abolhasani, un assistente professore di ingegneria chimica e biomolecolare presso la NC State e corrispondente autore di un articolo sul lavoro.
"Non solo possiamo creare i QD in qualsiasi colore utilizzando un approccio di produzione continua, ma il sistema NC Factory è altamente modulare, " dice Abolhasani. "Questo significa che, insieme al monitoraggio continuo del processo, il sistema consente di apportare le modifiche necessarie per eliminare la variazione da lotto a lotto che può rappresentare un problema significativo per le tecniche di produzione QD convenzionali. Inoltre, la chimica che abbiamo sviluppato in questo lavoro consente al trattamento QD della perovskite di avvenire a temperatura ambiente".
Il colore della fluorescenza dei QD è il risultato della composizione chimica, la dimensione, e il modo in cui vengono elaborati i nanocristalli. La strategia di sintesi QD originale utilizzata nel sistema NanoRobo ha consentito la sintesi a temperatura ambiente di QD di perovskite a emissione verde, che sono realizzati con cesio piombo bromuro. NC Factory inizia con punti quantici di perovskite di bromuro di cesio e piombo, ma poi introduce vari sali di alogenuro per sintonizzare con precisione il loro colore di fluorescenza attraverso l'intero spettro della luce visibile. Gli anioni in questi sali sostituiscono gli atomi di bromo nei punti che emettono il verde con atomi di iodio (per spostarsi verso l'estremità rossa dello spettro) o atomi di cloro (per spostarsi verso il blu).
"Poiché la NC Factory può controllare con precisione sia la composizione chimica che i parametri di lavorazione, può essere utilizzato per produrre continuamente punti quantici di perovskite in qualsiasi colore con la massima qualità, "dice Abolhasani.
I ricercatori di NC State hanno sviluppato un sistema microfluidico per sintetizzare punti quantici di perovskite attraverso l'intero spettro della luce visibile. I punti quantici vengono utilizzati in applicazioni dal rilevamento biologico e dall'imaging ai display a LED e alla raccolta di energia solare. Il nuovo sistema può essere utilizzato per produrre continuamente punti quantici di alta qualità da utilizzare in queste applicazioni. Credito:Milad Abolhasani, Stato NC
Il sistema NC Factory è composto da tre moduli "plug and play". I ricercatori hanno sviluppato un modulo di pre-miscelazione per accelerare la miscelazione di sali di alogenuro e punti quantici, al fine di migliorare la qualità del prodotto. Il sistema incorpora anche un sensore di velocità che consente agli utenti di monitorare con precisione i tempi di reazione. I QD sintetizzati vengono quindi monitorati in situ utilizzando il modulo di monitoraggio del processo NanoRobo.
"Da un punto di vista scientifico, il sistema NC Factory ci ha permesso di scoprire che questo processo di scambio di alogenuri avviene in tre fasi, "Abolhasani dice. "Questo è molto importante per capire meglio il meccanismo di reazione. Ma il sistema può anche avere un impatto su problemi pratici relativi alle applicazioni e alla produzione dei punti quantici".
Per esempio, i punti quantici di perovskite sono attraenti per l'industria dell'energia solare per la loro efficienza, ma sono ancora troppo costosi per essere adottati su larga scala. E oltre il 60 percento di tale costo è attribuito al lavoro di produzione.
"Il sistema NC Factory richiederebbe molta meno manodopera per funzionare continuamente, " Abolhasani dice. "Stimiamo che il sistema potrebbe ridurre i costi di produzione complessivi di almeno il 50 per cento. Dovrebbe ridurre i costi di produzione dei QD per qualsiasi applicazione e dovrebbe almeno preservare, se non migliorare, la qualità dei punti quantici.
"Abbiamo presentato un brevetto per il sistema, e stanno lavorando con i collaboratori del settore per commercializzare la tecnologia, "dice Abolhasani.
La carta, "Facile reazioni di scambio anionico a temperatura ambiente di punti quantici di perovskite inorganica abilitate da una piattaforma microfluidica modulare, " è pubblicato sulla rivista Materiali funzionali avanzati . Co-primi autori sono Kameel Abdel-Latif e Robert Epps, chi sono dottorandi studenti in ingegneria chimica e biomolecolare presso NC State. Il documento è stato co-autore di Corwin Kerr, uno studente universitario presso NC State; Cristoforo Papà, un dottorato di ricerca studente in chimica presso NC State; e Felice Castellano, la Goodnight Innovation Distinguished Chair of Chemistry presso NC State.
