Investigadores de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) descubrieron recientemente propiedades novedosas del niobato de estroncio, que es un material semiconductor único que muestra conducción de tipo metálico y actividad fotocatalítica. Los dos estudios, que se llevaron a cabo en colaboración con investigadores de la Universidad de California, Berkeley, y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, presagian emocionantes oportunidades para la creación de dispositivos novedosos con funcionalidades sin precedentes, así como aplicaciones únicas de una nueva familia de materiales fotocatalíticos.

Dr. Wan Dongyang, un investigador del NUS Nanocience and Nanotechnology Institute (NUSNNI) que participó en ambas investigaciones, dijo, "La clave de estos estudios exitosos fue la capacidad del equipo de NUSNNI para producir películas cristalinas de alta calidad de estos materiales que luego se estudiaron mediante una variedad de medidas para proporcionar pistas científicas sobre cómo se comportan dichos materiales en diversas condiciones".

Nueva familia de plasmones descubierta en metal no convencional

En el primer estudio, los investigadores, que fueron dirigidos por el profesor asistente Andrivo Rusydi, y Director de NUSNNI Profesor T Venky Venkatesan, había descubierto que, si bien el niobato de estroncio es de naturaleza altamente metálica debido a una gran población de electrones en el material, que es típico de la mayoría de los metales, todavía es transparente en la mayoría de las energías fotónicas, que es una propiedad excepcional que es diferente a la mayoría de los metales. Utilizando técnicas espectroscópicas, el equipo de investigación descubrió que esta propiedad única surgía de una absorción plasmónica intrínseca.

Dr. Teguh Citra Asmara, el primer autor del artículo y también investigador postdoctoral en NUSNNI, dijo, "De nuestros estudios, encontramos que este material es un semiconductor con una gran banda prohibida de cuatro electronvoltios. Según nuestro conocimiento de los semiconductores y el fuerte comportamiento metálico de este material, no esperábamos que este material absorbiera fotones visibles, por lo que los resultados que encontramos son realmente sorprendentes ".

"Los plasmones son oscilaciones resonantes de una colección de electrones y normalmente ocurren en un sólido metálico. En las condiciones adecuadas, los fotones pueden hacer que estos plasmones se exciten en un sólido y en este proceso el sólido absorbe la energía del fotón. Antes de que nuestro equipo se diera cuenta de esto, Se pensó que este material consistía en una banda prohibida más pequeña, del orden de dos electronvoltios, y una banda secundaria por encima de energía comparable, "explicó el profesor Venkatesan.

Además, el equipo de investigación descubrió una nueva familia de plasmones que se produce en múltiples frecuencias. Esta nueva familia de plasmones se observa incluso cuando el niobato de estroncio no es un metal convencional.

El profesor asistente Rusydi dijo:"Este nuevo descubrimiento abre nuevas direcciones de investigación y caminos para la investigación de plasmónicos, y nos permite examinar materiales aislantes y fuertemente correlacionados previamente sin explotar. Actualmente también estamos estudiando las posibles aplicaciones de este nuevo tipo de plasmones ”.

Este proyecto fue iniciado originalmente por el Dr. Zhao Yongliang como parte de su tesis doctoral, y el Dr. Wan Dongyang lo siguió como parte de su tesis doctoral. Ambos llevaron a cabo el proyecto bajo la supervisión del profesor Venkatesan. Los nuevos hallazgos fueron publicados en una prestigiosa revista científica. Comunicaciones de la naturaleza el 12 de mayo de 2017.

'Separadores de agua' para reducir la huella de carbono

En el segundo estudio, Los investigadores de NUS examinaron cómo el niobato de estroncio cataliza el agua. El equipo, supervisado por el profesor Venkatesan, encontró que cuando el niobato de estroncio está en contacto con el agua bajo irradiación solar, el material semiconductor podría derramar agua en sus componentes de oxígeno e hidrógeno. Este estudio, que también se llevó a cabo en colaboración con investigadores de la Universidad Tecnológica de Nanyang, se publicó por primera vez en línea en la prestigiosa revista científica Comunicaciones de la naturaleza el 19 de abril de 2017.

El profesor Venkatesan explicó:"Si bien este material convierte el agua en hidrógeno bajo la irradiación solar, el mecanismo detrás de este proceso se malinterpretó anteriormente como debido a la alta velocidad o movilidad de los electrones en el material. Nuestro grupo demostró claramente que no era el caso. La movilidad de los electrones medida fue significativamente baja, pero el efecto fue mejorado por la absorción resonante de los fotones solares por los plasmones intrínsecos presentes en este material ".

Los resultados sugieren fuertemente un enfoque novedoso para diseñar catalizadores para diversas aplicaciones, y el trabajo podría conducir a nuevas técnicas de recolección de hidrógeno, un combustible sostenible, del agua, contribuir así a reducir la huella de carbono.

"En NUSNNI, tenemos un grupo que ha encontrado una familia de materiales, además del niobato de estroncio, que funcionan igual de bien que los separadores de agua plasmónicos. Avanzando estamos trabajando para encontrar la combinación correcta de proceso fotocatalítico para producir productos químicos útiles, "añadió el profesor Venkatesan.