Un equipo de químicos de materiales, científicos de polímeros, físicos de dispositivos y otros en la Universidad de Massachusetts Amherst informan hoy sobre una técnica revolucionaria para controlar el ensamblaje molecular de nanopartículas en múltiples escalas de longitud que debería permitir, más económico, Fabricación más ecológica de energía fotovoltaica orgánica y otros dispositivos electrónicos. Los detalles se encuentran en la edición actual de Nano letras .

Investigador principal, químico Dhandapani Venkataraman, señala que las nuevas técnicas abordan con éxito dos objetivos principales para la fabricación de dispositivos:controlar el ensamblaje molecular y evitar disolventes tóxicos como el clorobenceno. "Ahora tenemos una forma racional de controlar este montaje en un sistema a base de agua, ", dice." Es una forma completamente nueva de ver los problemas. Con esta técnica podemos forzarlo a que adopte la estructura exacta que desee ".

El químico de materiales Paul Lahti, codirector con Thomas Russell del Energy Frontiers Research Center (EFRC) de UMass Amherst con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU. dice, "Una de las grandes implicaciones de este trabajo es que va mucho más allá de la energía fotovoltaica orgánica o las células solares, dónde se está aplicando este avance en este momento. Mirando el panorama más amplio esta técnica ofrece una muy prometedora, nuevo enfoque flexible y ecológico para ensamblar materiales para hacer estructuras de dispositivos ".

Lahti compara el avance del equipo de UMass Amherst en la ciencia de los materiales con el tipo de beneficios que la industria de la construcción vio con las unidades de construcción prefabricadas. "Esta estrategia sigue esa línea filosófica general, ", dice." Nuestro grupo descubrió una manera de usar el empaque de esferas para hacer que todo tipo de materiales se comporten en una solución de agua antes de que se rocíen sobre las superficies en capas delgadas y se ensamblen en un módulo. Estamos preensamblando algunos bloques de construcción básicos con algunas características predecibles, que luego están disponibles para construir su dispositivo complejo ".

"Alguien todavía tiene que conectarlo y ajustarlo de la manera que quiera, "Lahti agrega." No está terminado, pero muchas piezas están premontadas. Y puede solicitar las características que necesite, por ejemplo, una cierta dirección o fuerza del flujo de electrones. Todos los módulos se pueden ajustar para tener la capacidad de proporcionar disponibilidad de electrones de una manera determinada. La disponibilidad se puede ajustar, y hemos demostrado que funciona ".

El nuevo método debería reducir el tiempo que las empresas de fabricación de nanopartículas dedican a búsquedas de prueba y error de materiales para fabricar dispositivos electrónicos como las células solares. transistores orgánicos y diodos emisores de luz orgánicos. "La forma antigua puede llevar años, "Dice Lahti.

"Otro de nuestros principales objetivos es hacer algo que se pueda escalar de nano a mesoescala, y nuestro método lo hace. También es mucho más ecológico porque usamos agua en lugar de solventes peligrosos en el proceso, " él añade.

Para fotovoltaica, Venkataraman señala, "Lo siguiente es crear dispositivos con otros polímeros que van apareciendo, para aumentar la eficiencia de conversión de energía y hacerlos sobre sustratos flexibles. En este artículo trabajamos sobre vidrio, pero queremos traducir a materiales flexibles y producir materiales fabricados de rollo a rollo con agua. Esperamos obtener una eficiencia mucho mayor ". Sugiere que alcanzar una eficiencia de conversión de energía del 5 por ciento justificaría la inversión para hacer pequeños, Paneles solares flexibles para alimentar dispositivos como teléfonos inteligentes.

Si el teléfono inteligente promedio usa 5 vatios de energía y los 307 millones de usuarios de Estados Unidos cambian de baterías a energía solar flexible, podría ahorrar más de 1500 megavatios al año. "Eso es casi la producción de una central nuclear, "Venkataraman dice, "y es más dramático si se considera que las centrales eléctricas de carbón generan 1 megavatio y liberan 2, 250 libras de dióxido de carbono. So if a fraction of the 6.6 billion mobile phone users globally changed to solar, it would reduce our carbon footprint a lot."

Doctoral student and first author Tim Gehan says that organic solar cells made in this way can be semi-transparent, así como, "so you could replace tinted windows in a skyscraper and have them all producing electricity during the day when it's needed. And processing is much cheaper and cleaner with our cells than in traditional methods."

Venkataraman credits organic materials chemist Gehan, with postdoctoral fellow and device physicist Monojit Bag, with making "crucial observations" and using "persistent detective work" to get past various roadblocks in the experiments. "These two were outstanding in helping this story move ahead, " he notes. For their part, Gehan and Bag say they got critical help from the Amherst Fire Department, which loaned them an infrared camera to pinpoint some problem hot spots on a device.

It was Bag who put similar sized and charged nanoparticles together to form a building block, then used an artist's airbrush to spray layers of electrical circuits atop each other to create a solar-powered device. Él dice, "Here we pre-formed structures at nanoscale so they will form a known structure assembled at the meso scale, from which you can make a device. Antes, you just hoped your two components in solution would form the right mesostructure, but with this technique we can direct it to that end."