Todos los materiales están formados por átomos, que vibran. Estas vibraciones o 'fonones', son responsables, por ejemplo, sobre cómo se transporta la carga eléctrica y el calor en los materiales. Vibraciones de metales, semiconductores, y los aisladores están bien estudiados; sin embargo, ahora los materiales están siendo nanométricos para brindar un mejor rendimiento a aplicaciones como pantallas, sensores, baterías y membranas catalíticas. Hasta ahora no se ha comprendido qué sucede con las vibraciones cuando un material tiene un tamaño nanométrico.

Las superficies blandas vibran fuertemente

En una publicación reciente en Naturaleza , La profesora de ETH Vanessa Wood y sus colegas explican qué sucede con las vibraciones atómicas cuando los materiales son nanométricos y cómo este conocimiento se puede utilizar para diseñar sistemáticamente nanomateriales para diferentes aplicaciones.

El artículo muestra que cuando los materiales se fabrican con un tamaño inferior a unos 10 a 20 nanómetros, es decir, 5, 000 veces más delgado que el aire humano:las vibraciones de las capas atómicas más externas en la superficie de la nanopartícula son grandes y juegan un papel importante en el comportamiento de este material.

"Para algunas aplicaciones, como catálisis, termoeléctrica, o superconductividad, estas grandes vibraciones pueden ser buenas, pero para otras aplicaciones como LED o células solares, estas vibraciones son indeseables, "explica Wood.

En efecto, el documento explica por qué las células solares basadas en nanopartículas hasta ahora no han cumplido plenamente su promesa. Los investigadores demostraron utilizando tanto el experimento como la teoría que las vibraciones de la superficie interactúan con los electrones para reducir la fotocorriente en las células solares.

"Ahora que hemos demostrado que las vibraciones de la superficie son importantes, podemos diseñar sistemáticamente materiales para suprimir o mejorar estas vibraciones, "dice Wood.

Mejorando las células solares

El grupo de investigación de Wood ha trabajado durante mucho tiempo en un tipo particular de nanomaterial, nanocristales coloidales, semiconductores con un diámetro de 2 a 10 nanómetros. Estos materiales son interesantes porque sus propiedades ópticas y eléctricas dependen de su tamaño, que se pueden cambiar fácilmente durante su síntesis.

Estos materiales ahora se utilizan comercialmente como emisores de luz roja y verde en televisores basados ​​en LED y se están explorando como posibles materiales de bajo costo. células solares procesadas en solución. Los investigadores han notado que colocar ciertos átomos alrededor de la superficie del nanocristal puede mejorar el rendimiento de las células solares. No se había entendido la razón por la que esto funcionó. El trabajo publicado en el Naturaleza El papel ahora da la respuesta:una capa dura de átomos puede suprimir las vibraciones y su interacción con los electrones. Esto significa una mayor fotocorriente y una célula solar de mayor eficiencia.

Gran ciencia para estudiar la nanoescala

Los experimentos se llevaron a cabo en los laboratorios del profesor Wood en ETH Zurich y en la fuente de neutrones de espalación suiza en el Instituto Paul Scherrer. Al observar cómo los neutrones se dispersan de los átomos en un material, es posible cuantificar cómo vibran los átomos de un material. Para comprender las medidas de neutrones, Las simulaciones de las vibraciones atómicas se realizaron en el Centro Nacional de Supercomputación de Suiza (CSCS) en Lugano. Wood dice:"sin acceso a estas grandes instalaciones, este trabajo no hubiera sido posible. Somos increíblemente afortunados aquí en Suiza de tener estas instalaciones de clase mundial ".