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Nanostructures à auto-assemblage
Des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley ont trouvé un moyen simple de créer une nanostructure complexe constituée de minuscules tiges parsemées de nanocristaux. La nouvelle méthode de synthèse par auto-assemblage pourrait conduire à des nanomatériaux complexes pour des cellules solaires plus efficaces et des dispositifs moins coûteux pour convertir directement la chaleur en électricité.
Aucun assemblage requis : Des nanotiges de sulfure de cadmium avec des points quantiques de sulfure d'argent (points sombres) se forment automatiquement lorsque les chercheurs mélangent les bons produits chimiques de départ.
Dans les structures, les points quantiques ont tous à peu près la même taille et sont espacés uniformément le long des tiges – un exploit qui, dans le passé, nécessitait des conditions spéciales telles qu'un vide, les chercheurs contrôlant soigneusement la taille et l'espacement des différents matériaux, explique Paul Alivisatos , le professeur de chimie et de science des matériaux à Berkeley qui a dirigé les travaux. En revanche, Alivisatos mélange simplement les matières premières appropriées dans une solution ; ces matériaux s'arrangent ensuite dans la structure ordonnée.
De telles techniques de traitement de solution peuvent conduire à des méthodes de fabrication dans lesquelles les matériaux, tels que ceux utilisés dans les cellules solaires, sont imprimés sur des feuilles continues, ce qui réduit les coûts par rapport à d'autres méthodes. Chaque fois que vous faites quelque chose en solution, plutôt que dans le vide, cela devient beaucoup plus facile et moins cher, dit Moungi Bawendi , un professeur de chimie au MIT qui n'était pas impliqué dans ce travail.
Pour fabriquer les tiges, Alivisatos mélange une combinaison de méthanol et d'un sel d'argent dans une solution qui contient déjà des nanotiges de sulfure de cadmium. Les ions cadmium ont une forte affinité pour le méthanol. En conséquence, lorsque les matériaux sont mélangés, le méthanol tire le cadmium des nanotiges. Les ions d'argent remplissent alors les emplacements vacants laissés par le cadmium, formant des zones de sulfure d'argent à l'intérieur de la tige. Dans le même temps, les différences dans les structures cristallines des tiges de sulfure de cadmiun et des points quantiques de sulfure d'argent régulent la taille et l'espacement des points. C'est la première fois que de telles différences sont utilisées pour contrôler l'auto-assemblage de matériaux en solution.
Les tiges cloutées de nanocristaux pourraient s'avérer utiles pour les cellules solaires et les dispositifs thermoélectriques qui convertissent directement la chaleur en électricité. Par exemple, dans les cellules solaires conventionnelles, chaque photon ne génère qu'un seul électron. Mais certains types de points quantiques convertissent des photons uniques en plusieurs électrons, ce qui pourrait plus que doubler l'efficacité des cellules solaires. (Voir Silicon and Sun .) Le problème a été de capturer ces électrons pour créer un courant électrique. L'intégration de points quantiques dans des tiges d'un autre matériau pourrait aider à résoudre ce problème, explique Alivisatos. Les points quantiques absorberaient la lumière, tandis que l'autre matériau capterait les électrons générés par les points.
Une configuration similaire est prometteuse pour les thermoélectriques, des appareils qui convertissent directement la chaleur en électricité. Les structures cristallines alternées des nanotiges pourraient bloquer le transfert de chaleur tout en laissant passer les électrons, deux caractéristiques clés de ces dispositifs.
Après avoir démontré la nouvelle méthode de fabrication des structures, Alivisatos et ses collègues commencent à étudier les propriétés photoélectriques et thermoélectriques potentielles des matériaux. Ils devront probablement se tourner vers différents composés, tels que le sulfure de cuivre et le sulfure de cadmium, une combinaison qui a été utilisée pour les cellules solaires dans le passé, dit Alivisatos. Il n'y a aucune garantie, cependant, que ces matériaux formeront les mêmes structures ordonnées, ni même que les structures fonctionneront comme les chercheurs l'espèrent.
Même si ces structures particulières ne s'avèrent pas être la clé des cellules solaires à faible coût et à haut rendement, la nouvelle méthode d'auto-assemblage pour fabriquer des nanostructures pourrait inspirer de nouveaux matériaux qui le sont. Et Bawendi souligne la nécessité de poursuivre des recherches fondamentales comme celle-ci pour résoudre les problèmes énergétiques d'aujourd'hui. Nous ne savons pas quelle sera la solution, dit-il. Mais si nous créons des matériaux de haute qualité et soigneusement décrits comme l'a fait Alivisatos, certains d'entre eux peuvent être la réponse, dit Bawendi.