Un equipo de investigación del Instituto Politécnico de Worcester (WPI) ha desarrollado un revolucionario, material nanocompuesto semiconductor activado por luz que se puede utilizar en una variedad de aplicaciones, incluyendo actuadores microscópicos y pinzas para robots quirúrgicos, microespejos de luz para sistemas ópticos de telecomunicaciones, y células solares y fotodetectores más eficientes.
"Esta es una nueva área de la ciencia, "dijo Balaji Panchapakesan, profesor asociado de ingeniería mecánica en WPI y autor principal de un artículo sobre el nuevo material publicado en Informes científicos , una revista de acceso abierto de los editores de Naturaleza . "Muy pocos materiales pueden convertir fotones directamente en movimiento mecánico. En este artículo, presentamos el primer material nanocompuesto semiconductor conocido por hacerlo. Es un material fascinante que también se distingue por su alta resistencia y su absorción óptica mejorada cuando se coloca bajo tensión mecánica.
"Pequeñas pinzas y actuadores hechos con este material podrían usarse en los rovers de Marte para capturar partículas finas de polvo". Panchapakesan señaló. "Podrían viajar a través del torrente sanguíneo en pequeños robots para capturar células cancerosas o tomar muestras diminutas de tejido. El material podría usarse para hacer microactuadores para espejos giratorios en sistemas ópticos de telecomunicaciones; operarían estrictamente con luz, y no requeriría ninguna otra fuente de energía ".
Como otros materiales semiconductores, disulfuro de molibdeno, el material descrito en el Informes científicos artículo ("Respuesta mecánica cromática en nanocompuestos basados en dichalcogenuros metálicos de transición (TMD) en 2-D"), se caracteriza por la forma en que los electrones están dispuestos y se mueven dentro de sus átomos. En particular, los electrones en los semiconductores pueden moverse desde un grupo de orbitales externos llamado banda de valencia a otro grupo de orbitales conocido como banda de conducción solo cuando están adecuadamente excitados por una fuente de energía, como un campo electromagnético o los fotones en un haz de luz. Cruzando la "banda prohibida, "los electrones crean un flujo de electricidad, que es el principio que hace posible los chips de computadora y las células solares.
Cuando los electrones cargados negativamente se mueven entre orbitales, dejan atrás vacíos con carga positiva conocidos como agujeros. Un par de un electrón ligado y un agujero de electrones se llama excitón.
En sus experimentos, Panchapakesan y su equipo, que incluía a los estudiantes graduados Vahid Rahneshin y Farhad Khosravi, así como colegas de la Universidad de Louisville y la Universidad de Varsovia Pasteura, observaron que los orbitales atómicos de los átomos de molibdeno y azufre en el disulfuro de molibdeno están dispuestos de una manera única que permite que los excitones dentro de la banda de conducción interactúen con lo que se conoce como los orbitales p de los átomos de azufre. Esta "resonancia de excitón" contribuye a los fuertes enlaces sigma que dan a la matriz bidimensional de átomos en el sulfuro de molibdeno su extraordinaria fuerza. La fuerza de esta resonancia también es responsable de un efecto único que puede generar calor dentro del material. Es el calor el que da lugar a la respuesta mecánica cromática (inducida por la luz) del material.
Para aprovechar el fenómeno posterior, El equipo de Panchapakesan creó películas delgadas compuestas de solo una a tres capas de disulfuro de molibdeno encerradas en capas de un polímero similar al caucho. Expusieron estos nanocompuestos a varias longitudes de onda de luz y descubrieron que el calor generado como resultado de la resonancia del excitón hacía que el polímero se expandiera y contrajera. dependiendo de la longitud de onda de la luz utilizada. En trabajos anteriores, El equipo de Panchapakesan aprovechó esta respuesta fotomecánica fabricando pinzas diminutas que se abren y cierran en respuesta a pulsos de luz. Las pinzas pueden capturar perlas de plástico del tamaño de una sola célula humana.
En más pruebas, Panchapakesan y su equipo descubrieron otro comportamiento único del compuesto de disulfuro de molibdeno que abre la puerta a un conjunto diferente de aplicaciones. Empleando lo que se conoce como ingeniería de deformaciones, estiraron el material y descubrieron que las tensiones mecánicas aumentaban su capacidad para absorber la luz.
"Esto es algo que no se puede hacer con los semiconductores de película delgada convencionales, "Panchapakesan dijo:"porque cuando los estiras, se romperán prematuramente. Pero con su fuerza material única, El disulfuro de molibdeno se puede estirar. Y su mayor absorción óptica bajo tensión lo convierte en un buen candidato para células solares más eficientes, fotodetectores, y detectores para cámaras térmicas e infrarrojas.
"La resonancia del excitón, respuesta fotomecánica, y una mayor absorción óptica bajo tensión hacen de este un material extraordinario y un tema intrigante para una mayor investigación, "añadió.
