Los científicos de A * STAR han creado una 'guía del prospector' para ayudar a los investigadores a localizar los mejores nanocables de germanio-silicio para catalizar importantes reacciones de energía limpia.

Usar la luz solar para dividir el agua en sus elementos constituyentes, o convertir dióxido de carbono en monóxido de carbono o hidrocarburos, se encuentran entre los métodos más viables para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Para darse cuenta de su potencial, Ambas reacciones de energía limpia requieren catalizadores.

El silicio es ventajoso porque sus propiedades están bien estudiadas y es un material abundante, pero la "banda prohibida" entre sus bandas de conducción y de valencia es demasiado estrecha para catalizar eficazmente estas reacciones. Esta deficiencia se puede superar de dos formas:"nanodimensionando" el silicio o experimentando con diferentes aleaciones de silicio.

Ahora, Teck Leong Tan y Man-Fai Ng del Instituto A * STAR de Computación de Alto Rendimiento han utilizado simulaciones por computadora para explorar el efecto de variar el diámetro de los nanocables de germanio-silicio y también la proporción de silicio a germanio en las propiedades catalíticas de la aleación. .

Explicando el objetivo del estudio, Tan dice, "Pensamos que al variar tanto el diámetro del nanocable como la composición de la aleación, podríamos generar un espacio de diseño más grande para diseñar un material con la banda prohibida y las estructuras de banda óptimas para fotocatalizar reacciones de energía limpia como la división del agua solar y la reducción de dióxido de carbono ".

La pareja combinó tres métodos computacionales establecidos para realizar sus cálculos:teoría funcional de densidad, expansión de clústeres y simulaciones de Monte Carlo. Si bien esta combinación de técnicas se ha utilizado antes, los investigadores descubrieron una correlación simple que les permitió predecir los huecos de banda con precisión utilizando métodos computacionales más simples. Esto redujo considerablemente el costo computacional, permitiendo cribar más nanoestructuras de aleación de lo habitual.

Los resultados indican que los nanocables de germanio-silicio con diámetros de tres nanómetros o menos son fotocatalizadores adecuados tanto para la división del agua como para la reducción del dióxido de carbono. Sus cálculos también predicen que los nanocables con estructuras núcleo-capa asimétricas (ver imagen) serán más efectivos que aquellos con estructuras simétricas convencionales. Finalmente, Los nanocables con diámetros entre 2 y 3 nanómetros deben tener espacios de banda que se correspondan bien con el espectro de la luz solar. haciéndolos cosechadoras ligeras eficaces.

Según Tan, esto demuestra que "la combinación de las tres técnicas proporciona una metodología poderosa para el cribado de alto rendimiento de nanoestructuras de aleación para obtener propiedades deseables. Puede adaptarse a otras aplicaciones para acelerar el descubrimiento de nuevos materiales".

Los dos científicos están ansiosos por colaborar con los experimentadores para confirmar las predicciones generadas por sus cálculos. También tienen la intención de aplicar la técnica a otras aleaciones de nanocables de semiconductores prometedoras.