Immagine al microscopio elettronico a trasmissione di un nanotubo a nucleo cavo. La barra della scala bianca corrisponde a 10 nanometri (a sinistra). Rendering di un nanotubo (a destra) Credit:© 2019 Iwasa et al.
I fisici hanno scoperto un nuovo tipo di nanotubo che genera corrente in presenza di luce. Dispositivi come sensori ottici e chip di imaging a infrarossi sono probabili applicazioni, che potrebbe essere utile in campi come il trasporto automatizzato e l'astronomia. In futuro, se l'effetto può essere ingrandito e la tecnologia ingrandita, potrebbe portare a dispositivi di energia solare ad alta efficienza.
Lavorando con un team internazionale di fisici, Il professor Yoshihiro Iwasa dell'Università di Tokyo stava esplorando le possibili funzioni di uno speciale nanotubo semiconduttore quando ha avuto un momento di lampadina. Ha preso questa proverbiale lampadina (che in realtà era un laser) e l'ha puntata sul nanotubo per scoprire qualcosa di illuminante. Alcune lunghezze d'onda e intensità della luce hanno indotto una corrente nel campione:questo è chiamato effetto fotovoltaico. Esistono diversi materiali fotovoltaici, ma la natura e il comportamento di questo nanotubo sono motivo di eccitazione.
"Essenzialmente il nostro materiale di ricerca genera elettricità come i pannelli solari, ma in modo diverso, ", ha detto Iwasa. "Insieme al Dr. Yijin Zhang dell'Istituto Max Planck per la ricerca sullo stato solido in Germania, abbiamo dimostrato per la prima volta che i nanomateriali potrebbero superare un ostacolo che presto limiterà l'attuale tecnologia solare. Per ora i pannelli solari sono il meglio che possono essere, ma la nostra tecnologia potrebbe migliorarla."
Il nanotubo che induce corrente è costituito da fogli arrotolati di uno speciale materiale semiconduttore a base di disolfuro di tungsteno (WS 2 ). I fogli non inducono corrente in presenza di luce se non arrotolati in tubi. Questo è un comportamento emergente, uno non intrinseco al materiale finché non viene modificato. Ciò che è interessante è come si differenzia dai materiali fotovoltaici esistenti.
Varie iterazioni del dispositivo sperimentale a nanotubi. Immagini catturate da un microscopio a forza atomica, e un microscopio a scansione di sonda Kelvin (in basso a destra). Credito:© 2019 Iwasa et al.
In genere, i pannelli solari fotovoltaici utilizzano una certa disposizione di materiali chiamata giunzione p-n. Qui è dove sono attaccati due diversi tipi di materiali (tipo p e tipo n), che da soli non generano corrente in presenza di luce, ma quando messi insieme, fare. Il fotovoltaico basato su giunzione P-n ha migliorato l'efficienza negli 80 anni circa dalla loro scoperta. Però, si stanno avvicinando ai loro limiti teorici in parte a causa della loro necessità per la disposizione di più materiali.
WS 2 i nanotubi non si basano su una giunzione tra i materiali per ottenere l'effetto fotovoltaico. Quando esposto alla luce, generano una corrente in tutta la loro intera struttura o volume. Questo è chiamato effetto fotovoltaico di massa (BPVE) e si verifica come WS 2 il nanotubo non è simmetrico se dovessi invertirlo. Se fosse simmetrico, la corrente indotta non avrebbe una direzione preferita e quindi non fluirebbe. Quindi altri nanotubi simmetrici, come i famosi nanotubi di carbonio, non mostrano BPVE nonostante siano ottimi conduttori elettrici.
"La nostra ricerca mostra un miglioramento di un intero ordine di grandezza nell'efficienza di BPVE rispetto alla sua presenza in altri materiali, " continuò Iwasa. "Ma nonostante questo enorme guadagno, il nostro WS 2 il nanotubo non può ancora essere paragonato al potenziale di generazione dei materiali di giunzione p-n. Questo perché il dispositivo è nanoscopico e sarà difficile renderlo più grande. Ma è possibile e spero che i chimici siano ispirati ad affrontare questa sfida".
A lungo termine, i ricercatori sperano che questo tipo di materiale possa consentire la fabbricazione di pannelli solari più efficienti. Ma dati i limiti di dimensione prevedibili a breve termine, è più probabile che trovi impiego in altre applicazioni. BVPE potrebbe essere utilizzato per creare sensori ottici o infrarossi più sensibili e ad alta fedeltà. Questi hanno ulteriori applicazioni in dispositivi di monitoraggio integrati, auto a guida autonoma cariche di sensori o persino nei sensori di imaging per i telescopi astronomici.
"Io e i miei colleghi di tutto il mondo esploriamo con entusiasmo il potenziale di questa tecnologia senza precedenti, " ha concluso Iwasa. "Per me, l'idea di creare nuovi materiali al di là di qualsiasi cosa la natura possa fornire è un'affascinante ricompensa di per sé."
Lo studio è pubblicato su Natura .
