(Phys.org) —Tres profesores de química de la Universidad de Chicago esperan que sus trayectorias de investigación separadas converjan para crear una nueva forma de ensamblar lo que ellos llaman "átomos de diseño" en materiales con una amplia gama de propiedades y funciones potencialmente útiles.

Estos "átomos de diseño" serían nanocristales, conjuntos cristalinos de átomos destinados a ser manipulados de maneras que van más allá de los usos estándar de los átomos en la tabla periódica. Tales matrices serían adecuadas para abordar los desafíos de la energía solar, Computación cuántica y materiales funcionales.

Los socios del proyecto son el Prof. David Mazziotti, y los profesores asociados Greg Engel y Dmitri Talapin. Los tres han logrado avances clave que son fundamentales para hacer avanzar el proyecto. Ahora, con $ 1 millón en fondos de la Fundación W. M. Keck, pueden aprovechar sus avances separados de manera concertada hacia un nuevo objetivo.

"Si miras la historia de la ciencia, un desarrollo importante comienza con personas de diferentes orígenes hablando entre sí y aprendiendo unos de otros y haciendo algo realmente revolucionario en lugar de incremental, "Dijo Talapin.

Los desarrollos en el laboratorio de Talapin forman el núcleo del proyecto. Un químico inorgánico sintético, se especializa en la creación de nanocristales diseñados con precisión con características bien definidas.

Los nanocristales constan de cientos o miles de átomos. Esto es lo suficientemente pequeño como para que comiencen a surgir nuevos fenómenos cuánticos, pero lo suficientemente grande como para proporcionar "módulos" convenientes para el diseño de nuevos materiales. "Es una combinación interesante en el sentido de que no se construyen materiales a partir de átomos individuales, pero de las unidades que se asemejan a los átomos de muchas maneras pero que también se comportan como un metal, semiconductor o imán. Es un poco loco "Dijo Talapin.

El potencial de los nuevos arreglos puede exceder el de los elementos existentes. Los químicos no pueden ajustar las propiedades del hidrógeno o el helio, por ejemplo, pero pueden sintonizar las propiedades de los nanocristales.

"Construyes química a partir de átomos, y la mecánica cuántica proporciona principios para hacer eso, "dijo Mazziotti, refiriéndose a las leyes de la física que dominan el mundo a escalas ultra-pequeñas. "Del mismo modo, visualizamos tremendas oportunidades en términos de tomar matrices nanocristalinas y nanocristales como bloques de construcción para nuevas estructuras donde los ensamblamos en sistemas fuertemente correlacionados ".

Bloques de construcción nanocristalinos

La esencia de una fuerte correlación, de enlaces químicos, de la química en general, son las conexiones entre las partículas y cómo cambian las propiedades de estas partículas a medida que se unen entre sí, Engel señaló. "Se trata de nuevas propiedades emergentes que provienen de una fuerte mezcla entre los estados electrónicos de las partículas, de la misma manera que dos átomos se unen para formar una molécula, " él dijo.

Los gases de hidrógeno y oxígeno tienen propiedades muy diferentes. Sin embargo, cuando dos átomos de hidrógeno comparten electrones con un átomo de oxígeno, forman agua. La ambición del trío UChicago es extender este marco desde el nivel de átomos individuales hasta el nivel de pequeños, objetos funcionales, como semiconductores metálicos o magnéticos.

La clave de su proyecto es controlar el grado de correlación entre electrones en diferentes nanocristales. En 2009, Talapin y sus colaboradores desarrollaron una forma de controlar los movimientos de los electrones a medida que se mueven de un nanocristal al siguiente. Su "pegamento electrónico" permite que los nanocristales semiconductores transfieran eficientemente sus cargas eléctricas entre sí, un paso importante en la síntesis de nuevos materiales.

"Ese pegamento lo proporciona un ajuste especial del comportamiento de los electrones, ", Dijo Mazziotti." Quieres que los electrones tengan sus movimientos correlacionados de una manera especial para permitir la transferencia eficiente de esa energía de un nanocristal al otro ".

Lograr un mayor control de los electrones correlacionados, aquellos cuyos movimientos están vinculados entre sí, en diferentes nanocristales es la clave del éxito del proyecto Keck.

"Si podemos mejorar eso, entonces, esencialmente podemos desarrollar una paleta completa de nuevos materiales que esencialmente se deriva del uso de nanocristales como bloques de construcción y una fuerte correlación como una forma de ajuste, esencialmente, el grado en que o cómo se hablan entre ellos, ", Dijo Mazziotti." Queremos una transferencia realmente eficiente de energía e información entre las diferentes unidades. Anteriormente en el área de matrices nanocristalinas, los nanocristales solo se comunicaron entre sí de manera muy débil ".

Desarrollando una nueva paleta

Mazziotti y Engel aportan avances teóricos y espectroscópicos, respectivamente, a la colaboración. El avance de Mazziotti proporciona una alternativa a los enfoques tradicionales para calcular electrones fuertemente correlacionados en moléculas, que escalan exponencialmente con el número de electrones. Ha resuelto un problema de larga data que permite realizar cálculos utilizando solo dos de los electrones de una molécula, lo que reduce drásticamente el costo computacional.

Sus estudios de bioluminiscencia de luciérnagas y otros fenómenos han demostrado que a medida que los sistemas moleculares crecen, las fuertes correlaciones entre electrones se vuelven más poderosas y abren nuevas posibilidades para el comportamiento emergente. En el contexto de un material semiconductor como el silicio, El comportamiento emergente es cómo las nanopartículas individuales pierden efectivamente su identidad, dando lugar a propiedades colectivas en nuevos materiales.

"A medida que aumenta el tamaño de un sistema molecular, Vemos la aparición de un nuevo comportamiento físico y la importancia de una fuerte correlación de electrones, "Dijo Mazziotti." La importancia de una fuerte correlación aumenta drásticamente con el tamaño del sistema ".

El avance en el grupo de investigación de Engel fue el desarrollo de una técnica llamada espectroscopia de eco fotónico asistido por GRadient (GRAPE), que toma prestadas ideas de la resonancia magnética, pero se utiliza para espectroscopia en lugar de imágenes médicas. Engel ya ha utilizado GRAPE para observar el movimiento correlacionado y el acoplamiento entre cromóforos, que son moléculas que absorben la luz. Ahora aplicará la técnica a los nanocristales.

"Esta, por primera vez, nos permitirá ver realmente la naturaleza directa del acoplamiento electrónico que está en el corazón de esta idea de nuevos conceptos de enlace en átomos de diseño, ", Dijo Engel." Podremos proporcionar la evidencia experimental que combinará la teoría que David está desarrollando con las nuevas estructuras que está construyendo Dmitri ".