Es más fácil disolver un terrón de azúcar en un vaso de agua triturando primero el terrón, porque las numerosas partículas diminutas cubren más área de superficie en el agua que el propio cubo. En cierto sentido, el mismo principio se aplica al valor potencial de los materiales compuestos por nanopartículas.

Debido a que las nanopartículas son tan pequeñas, millones de veces más pequeño que el ancho de un cabello humano, tienen "una superficie tremenda, "aumentando la posibilidad de usarlos para diseñar materiales con rutas de energía solar a electricidad y solar a química más eficientes, dice Ari Chakraborty, profesor asistente de química en la Universidad de Syracuse.

"Son materiales muy prometedores, ", dice." Se puede optimizar la cantidad de energía que se produce a partir de una célula solar basada en nanopartículas ".

Chakraborty, un experto en química física y teórica, mecánica cuántica y nanomateriales, busca comprender cómo estas nanopartículas interactúan con la luz después de cambiar su forma y tamaño, lo que significa, por ejemplo, en última instancia, podrían proporcionar propiedades fotovoltaicas y de captación de luz mejoradas. Es posible cambiar su forma y tamaño "sin cambiar su composición química, ", dice." El mismo compuesto químico en diferentes tamaños y formas interactuará de manera diferente con la luz ".

Específicamente, el científico financiado por la National Science Foundation (NSF) se centra en los puntos cuánticos, que son cristales semiconductores a escala nanométrica. Los puntos cuánticos son tan pequeños que los electrones que contienen solo existen en estados con energías específicas. Como tal, los puntos cuánticos se comportan de manera similar a los átomos, y, como átomos, pueden alcanzar niveles más altos de energía cuando la luz los estimula.

Chakraborty trabaja en química teórica y computacional, lo que significa "trabajamos solo con computadoras y computadoras, ", dice." El objetivo de la química computacional es utilizar las leyes fundamentales de la física para comprender cómo interactúa la materia entre sí, y, en mi investigación, con luz. Queremos predecir los procesos químicos antes de que realmente sucedan en el laboratorio, que nos dice qué dirección seguir ".

Estos átomos y moléculas siguen las leyes naturales del movimiento, "y sabemos cuáles son, ", dice." Desafortunadamente, son demasiado complicados para resolverlos a mano o con calculadora cuando se aplican a sistemas químicos, por eso usamos una computadora ".

Los estados de "excitación electrónica" de las nanopartículas influyen en sus propiedades ópticas, él dice.

"Investigamos estos estados excitados resolviendo la ecuación de Schrödinger para las nanopartículas, " él dice, refiriéndose a una ecuación diferencial parcial que describe cómo el estado cuántico de algún sistema físico cambia con el tiempo. "La ecuación de Schrödinger proporciona la descripción mecánica cuántica de todos los electrones en la nanopartícula.

"Sin embargo, La solución precisa de la ecuación de Schrödinger es un desafío debido a la gran cantidad de electrones en el sistema, ", agrega." Por ejemplo, un punto cuántico CdSe de 20 nanómetros contiene más de 6 millones de electrones. En la actualidad, el enfoque principal de mi grupo de investigación es desarrollar nuevos métodos químicos cuánticos para abordar estos desafíos. Los métodos recientemente desarrollados se implementan en software computacional de código abierto, que se distribuirá al público en general de forma gratuita ".

Voltaicos solares, "requiere una sustancia que capture la luz, lo usa, y transfiere esa energía a energía eléctrica, ", dice. Con materiales de células solares hechos de nanopartículas, "puedes usar diferentes formas y tamaños, y captar más energía, "agrega". Además, puede tener una gran superficie para una pequeña cantidad de materiales, por lo que no necesita muchos de ellos ".

Las nanopartículas también podrían ser útiles para convertir la energía solar en energía química, él dice. "¿Cómo se almacena la energía cuando no sale el sol?" él dice. "Por ejemplo, las hojas de un árbol toman energía y la almacenan como glucosa, luego use la glucosa como alimento. Una posible aplicación es el desarrollo de hojas artificiales para la fotosíntesis artificial. Hay una gran área de investigación en curso para producir compuestos que puedan almacenar energía ".

Las imágenes médicas presentan otra aplicación potencial útil, él dice.

"Por ejemplo, Las nanopartículas se han recubierto con agentes aglutinantes que se unen a las células cancerosas. ", dice." En determinadas condiciones químicas y físicas, las nanopartículas se pueden ajustar para emitir luz, lo que nos permite tomar fotografías de las nanopartículas. Podría señalar las áreas donde hay células cancerosas en el cuerpo. Las regiones donde se encuentran las células cancerosas aparecen como puntos brillantes en la fotografía ".

Chakraborty está llevando a cabo su investigación bajo un premio NSF Faculty Early Career Development (CAREER). El premio apoya a los profesores junior que ejemplifican el papel de los profesores-académicos a través de una investigación destacada, excelente educación y la integración de la educación y la investigación en el contexto de la misión de su organización. NSF está financiando su trabajo con $ 622, 123 durante cinco años.

Como parte del componente educativo de la subvención, Chakraborty está recibiendo a varios estudiantes de una escuela secundaria local, East Syracuse Mineoa High School, en su laboratorio. También ha organizado dos talleres para profesores de secundaria sobre cómo utilizar herramientas computacionales en sus aulas "para hacer que la química sea más interesante e intuitiva para los estudiantes de secundaria, " él dice.

"Lo realmente bueno de esto es que los niños realmente pueden trabajar con las moléculas porque pueden verlas en la pantalla y manipularlas en el espacio 3-D". ", agrega." Pueden explorar su estructura usando computadoras. Pueden medir distancias, anglos, y energías asociadas con las moléculas, lo cual no es posible hacer con un modelo físico. Pueden estirarlo y ver cómo vuelve a su estructura original. Es una verdadera experiencia práctica que los niños pueden tener mientras aprenden química ".