“Depilare” i nanocristalli per incrementare le prestazioni delle celle solari

La miniaturizzazione dell’elettronica è stata una svolta fondamentale in ambito tecnologico con tutte le conseguenze anche in tanti altri settori persino nella vita di tutti i giorni, basti pensare alla potenza e alla versatilità di uno smartphone. Ma per la prossima generazione di dispositivi elettronici è necessario un ulteriore balzo tecnologico e fra le opzioni più promettenti vi è l’utilizzo dei nanocristalli.

Le potenzialità di queste microscopiche strutture assemblabili in svariate configurazioni sono enormi, ma la sfida per gli scienziati è capire come fare comunicare fra di loro tali piccoli cristalli.
“Abbiamo denominato questi elementi costitutivi super atomici poiché possono conferire nuove capacità, per esempio consentire alle telecamere di vedere nella gamma degli infrarossi” spiega il professor Dmitri Talapin dell’Università di Chicago, fra gli autori di una ricerca che potrebbe superare il problema aprendo la strada alla progettazione di dispositivi dotati di caratteristiche rivoluzionarie.

Cercare il pelo nel cristallo

Nel nuovo studio gli scienziati illustrano regole di progettazione che dovrebbero consentire la creazione di svariate e diverse tipologie di materiali, permettendo di far crescere nanocristalli da molti materiali: metalli, semiconduttori e magneti (che donano ciascuno proprietà diverse alla struttura cristallina) superando il problema di fondo nella procedura: ogni volta che si cerca di assemblare questi nanocristalli in array, i nuovi supercristalli crescono con delle imperfezioni simili a lunghi “peli” che interferiscono nel salto degli elettroni da un nanocristallo all’altro. E più facilmente gli elettroni si possono muovere, più efficiente sarà il dispositivo.

L’obiettivo dei ricercatori consisteva nel trovare un metodo per eliminare i peli intorno a ciascuno dei nanocristalli in modo da poter stringere questi ultimi il più vicini possibile fra di loro: la distanza ha un’importanza enorme e ridurla anche solo a un terzo aumenterebbe per esempio di un miliardo di volte la probabilità che gli elettroni saltino da un nanocristallo all’altro.

Per poter “radere via i peli” era necessario comprendere cosa accadesse a livello atomico e si è fatto ricorso all’alta tecnologia a raggi X disponibile del Center for Nanoscale Materials di Argonne e la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource presso lo SLAC, National Accelerator Laboratory, oltre ad avanzate simulazioni e modelli della chimica e della fisica in gioco. Tutto ciò ha permesso loro di capire cosa stesse succedendo in superficie e di trovare la chiave per avviare nel modo voluto la crescita dei nanocristalli.

Le possibili applicazioni spaziano dalle celle fotovoltaiche ai computer quantistici

Il processo di sviluppo dei supercristalli avviene in parte in soluzione, cioè in un liquido. Si è scoperto che man mano che i cristalli crescono subiscono una trasformazione insolita in cui coesistono le fasi gassosa, liquida e solida. Controllando con precisione la chimica di questa fase si potrebbe fare vita a cristalli con la parte esterna più dura e sottile, in grado essere stretti insieme molto più vicini. Capire il comportamento dei nanocristalli in questa specifica fase è stato un enorme balzo in avanti per i ricercatori.

Il ventaglio di possibili applicazioni pratiche è ancora tutto da esplorare ma gli scienziati pensano a diversi settori in cui la tecnica potrebbe essere applicata in modo proficuo: per esempio ogni cristallo potrebbe essere un qubit in un computer quantistico; l’accoppiamento di qubit in schiere è una delle sfide fondamentali della tecnologia quantistica in questo momento. Il dottor Josh Portner, fra i coautori dello studio, ritiene inoltre sia già in sé interessante esplorare l’insolito stato intermedio della materia osservato durante la crescita dei supercristalli: “La coesistenza di tre fasi è abbastanza rara da spingere a pensare come sfruttare questa chimica per costruire nuovi materiali”.

Fonte: “Self-assembly of nanocrystals into strongly electronically coupled all-inorganic supercrystals”, Science (marzo 2022).

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