(Phys.org) —De ultieme droom die uitkomt voor materiaalwetenschappers is om materialen te kunnen maken die eigenschappen en gedragingen kunnen aannemen die het beste bij onze behoeften passen. Nieuwe materialen kunnen efficiënte manieren bieden om zonne-energie op te vangen en ons helpen de manier waarop motoren, generatoren en andere apparaten die essentieel zijn voor het verbeteren van onze energiebehoeften worden gemaakt.

Maar wetenschappers moeten eerst de eigenschappen van clusterassemblage door de individuele cluster echt begrijpen. Echter, het is een beetje alsof je een symfonie probeert te ontcijferen door alleen naar de percussie te luisteren. Dat was het raadsel om het veld vooruit te helpen.

Nutsvoorzieningen, dankzij het werk van een team van wetenschappers van de Virginia Commonwealth University, Pennsylvania State University en de Universiteit van Californië, Los Angeles, materiaalwetenschappers zullen meer inzicht krijgen in de organisatieprincipes die het mogelijk maken om nanoscopische materialen met specifieke bandgap-energie te ontwerpen. Band gap-energie verwijst naar de minimale energie van licht die het materiaal kan absorberen.

Cluster-geassembleerde materialen zijn vaste stoffen die zijn opgebouwd uit clusters - kleine nanodeeltjes van enkele tot enkele tientallen atomen. Door deze materialen met verschillende schakels te fabriceren, de assemblage kan in afzonderlijke clusters worden gemaakt, ketens van clusters, platen van clusters en driedimensionale roosters van clusters. Door deze linkers te veranderen, de laagste energiekleur van het licht dat het materiaal kan absorberen, kan worden veranderd van diep in het infrarood naar groen.

Dit onderzoek legt uit hoe de linkers interageren met het cluster en wat de kleur van het materiaal bepaalt.

"De bevindingen helpen de ultieme droom in materiaalwetenschap te vervullen, namelijk, het vermogen om nieuwe materialen te synthetiseren die nog niet in de natuur bestonden en die functies kunnen vervullen om aan onze groeiende behoeften te voldoen, " zei hoofdonderzoeker Shiv N. Khanna, doctoraat, hoogleraar bij het departement Natuurkunde van het VCU College of Humanities and Sciences.

Volgens Khanna, het ontwikkelen van een materiaal met de juiste bandafstand dat meerdere golflengten zal absorberen, zal de efficiëntie waarmee de zonne-energie kan worden geabsorbeerd maximaliseren. Zonlicht bestrijkt een breed scala aan golflengten met een maximale energiegolflengte van ongeveer 4950 Å.

"De principes die door de huidige studie zijn ontwikkeld, bieden een algemene benadering voor de synthese van materialen met controleerbare functionaliteiten, " zei Arthur Reber, doctoraat, wetenschappelijk universitair hoofddocent bij de VCU Vakgroep Natuurkunde, die samen met Khanna aan het onderzoek heeft meegewerkt.

"Als voorbeeld, we hebben zojuist laten zien hoe nieuwe magnetische vaste stoffen kunnen worden gesynthetiseerd door gekozen nanodeeltjes te assembleren. Deze vaste stoffen hebben potentiële toepassingen in motoren, generatoren en andere apparaten die essentieel zijn voor de energiebehoeften, ' zei Khanna.

Het team ontwikkelt nu hun ideeën verder om toepassingen in optische, katalytische en magnetische materialen.

De wetenschappers voerden een reeks theoretische berekeningen en eerste principes elektronische structuuronderzoeken uit, verzamelde röntgengegevens en voerde computermodellering uit.

Het onderzoek is onlangs gepubliceerd in Rekeningen van chemisch onderzoek , een tijdschrift van de American Chemical Society. De studie is getiteld, "Het beheersen van de bandgap-energie van in clusters geassembleerde materialen."