Los científicos de materiales esperan que las nuevas propiedades multifuncionales de las nanoestructuras híbridas transformen el desarrollo de dispositivos de alto rendimiento, incluidas las baterías, sensores de alta sensibilidad y células solares. Estas nanoestructuras de autoensamblaje se generan típicamente depositando objetos ultrapequeños con diferentes propiedades en las superficies de diminutos cables semiconductores. Sin embargo, los factores que gobiernan su formación siguen siendo esquivos, haciendo que estas estructuras sean difíciles de controlar y diseñar.

Para llenar este vacío Bharathi Srinivasan y sus colaboradores del Instituto A * STAR de Computación de Alto Rendimiento han desarrollado un enfoque computacional que arroja luz sobre el autoensamblaje de estas nanoestructuras en varios lados, o poligonal, nanocables. Primero identificaron cómo crecen los diferentes patrones de nanoestructura en los nanocables mediante la realización de cálculos de energía en un análisis teórico antes de analizar estos patrones mediante la realización de simulaciones numéricas.

El equipo de Srinivasan diseñó modelos bidimensionales y tridimensionales (2D y 3D) de nanocables con un cuadrado, núcleo hexagonal u octogonal rodeado por varias configuraciones de carcasa. El análisis de los perfiles de energía de estas configuraciones mostró que los investigadores podían controlar la morfología del caparazón cambiando el tamaño del núcleo. El análisis teórico también reveló las transiciones entre estas diferentes configuraciones, una visión valiosa del mecanismo de autoensamblaje.

Para la simulación numérica, los investigadores construyeron un modelo de 'campo de fase', que definió matemáticamente las transiciones de fase del material de la cáscara. Esto les permitió simular el proceso de autoensamblaje de las nanoestructuras en los nanocables después de depositar la 'semilla' en forma de 'puntos cuánticos', que son semiconductores en miniatura. Las ecuaciones utilizadas en la simulación describen tanto la termodinámica como la cinética del autoensamblaje, Notas de Srinivasan.

Tanto las simulaciones 2D como 3D mostraron que las conchas depositadas sufrieron transformaciones morfológicas que reflejaron los cálculos de energía. En la etapa de deposición inicial, el rango de tamaño más bajo, las carcasas consistían en cilindros perfectos en el modelo 2D, y formaron anillos ultrapequeños, o 'nanorings', apilados a lo largo de la dirección vertical del nanoalambre, en el modelo 3D.

A medida que el núcleo se expandía, los modelos 2D indicaron que las carcasas podrían romperse en cables más pequeños. Para los núcleos de tamaño intermedio, cada cable se sentó a los lados del núcleo. Para los núcleos de mayor tamaño, se sentaron en las esquinas. En las simulaciones 3D, los nanorings se dividieron en puntos cuánticos que se materializaron en columnas en las facetas del nanoalambre y migraron hacia las crestas al crecer más (ver imagen). Las simulaciones de tratamiento térmico produjeron las mismas configuraciones que durante el crecimiento.

"Nuestro trabajo futuro [será] comprender el crecimiento de diferentes nanoestructuras híbridas, incluyendo puntos cuánticos en conchas, nanorings y otros puntos cuánticos, "dice Srinivasan.