Het is gemakkelijker om een ​​suikerklontje op te lossen in een glas water door het eerst fijn te maken, omdat de talrijke kleine deeltjes meer oppervlakte in het water bedekken dan de kubus zelf. Op een manier, hetzelfde principe geldt voor de potentiële waarde van materialen die zijn samengesteld uit nanodeeltjes.

Omdat nanodeeltjes zo klein zijn, miljoenen keren kleiner dan de breedte van een mensenhaar, ze hebben "enorme oppervlakte, " de mogelijkheid vergroten om ze te gebruiken om materialen te ontwerpen met efficiëntere zonne-naar-elektriciteit en zonne-naar-chemische energiebanen, zegt Ari Chakraborty, een assistent-professor scheikunde aan de Universiteit van Syracuse.

"Het zijn veelbelovende materialen, " zegt hij. "Je kunt de hoeveelheid energie die je uit een zonnecel op basis van nanodeeltjes produceert optimaliseren."

Chakrabortie, een expert in fysische en theoretische chemie, kwantummechanica en nanomaterialen, probeert te begrijpen hoe deze nanodeeltjes interageren met licht nadat ze van vorm en grootte zijn veranderd, wat betekent, bijvoorbeeld, ze zouden uiteindelijk verbeterde fotovoltaïsche en lichtoogst-eigenschappen kunnen bieden. Het veranderen van hun vorm en grootte is mogelijk "zonder hun chemische samenstelling te veranderen, "zegt hij. "Dezelfde chemische verbinding in verschillende maten en vormen zal anders reageren op licht."

specifiek, de door de National Science Foundation (NSF) gefinancierde wetenschapper richt zich op kwantumstippen, dat zijn halfgeleiderkristallen op nanometerschaal. Quantum dots zijn zo klein dat de elektronen erin alleen bestaan ​​in toestanden met specifieke energieën. Als zodanig, kwantumstippen gedragen zich op dezelfde manier als atomen, en, zoals atomen, kunnen hogere energieniveaus bereiken wanneer licht hen stimuleert.

Chakraborty werkt in theoretische en computationele chemie, wat betekent "we werken alleen met computers en computers, "zegt hij. "Het doel van computationele chemie is om fundamentele natuurwetten te gebruiken om te begrijpen hoe materie met elkaar in wisselwerking staat, en, in mijn onderzoek, met licht. We willen chemische processen voorspellen voordat ze daadwerkelijk plaatsvinden in het lab, die ons vertelt welke richting we moeten volgen."

Deze atomen en moleculen volgen natuurlijke bewegingswetten, "en we weten wat ze zijn, "zegt hij. "Helaas, ze zijn te ingewikkeld om met de hand of rekenmachine op te lossen wanneer ze worden toegepast op chemische systemen, daarom gebruiken we een computer."

De "elektronisch geëxciteerde" toestanden van de nanodeeltjes beïnvloeden hun optische eigenschappen, hij zegt.

"We onderzoeken deze aangeslagen toestanden door de Schrödinger-vergelijking voor de nanodeeltjes op te lossen, " hij zegt, verwijzend naar een partiële differentiaalvergelijking die beschrijft hoe de kwantumtoestand van een fysiek systeem met de tijd verandert. "De Schrödinger-vergelijking geeft de kwantummechanische beschrijving van alle elektronen in het nanodeeltje.

"Echter, nauwkeurige oplossing van de Schrödingervergelijking is een uitdaging vanwege het grote aantal elektronen in het systeem, "voegt hij eraan toe. "Bijvoorbeeld, een 20 nanometer CdSe quantum dot bevat meer dan 6 miljoen elektronen. Momenteel, de primaire focus van mijn onderzoeksgroep is het ontwikkelen van nieuwe kwantumchemische methoden om deze uitdagingen aan te gaan. De nieuw ontwikkelde methoden worden geïmplementeerd in open-source computersoftware, die gratis zal worden verspreid onder het grote publiek."

zonne-voltaïsche, "vereist een stof die licht vangt, gebruikt het, en zet die energie om in elektrische energie, " zegt hij. Met zonnecelmaterialen gemaakt van nanodeeltjes, "je kunt verschillende vormen en maten gebruiken, en meer energie vast te leggen, "voegt hij eraan toe. "Ook, u kunt een groot oppervlak hebben voor een kleine hoeveelheid materialen, dus je hebt er niet veel van nodig."

Nanodeeltjes kunnen ook nuttig zijn bij het omzetten van zonne-energie in chemische energie, hij zegt. "Hoe sla je de energie op als de zon niet schijnt?" hij zegt. "Bijvoorbeeld, bladeren aan een boom nemen energie op en slaan het op als glucose, gebruik de glucose later als voedsel. Een mogelijke toepassing is het ontwikkelen van kunstmatige bladeren voor kunstmatige fotosynthese. Er is een enorm gebied van lopend onderzoek om verbindingen te maken die energie kunnen opslaan."

Medische beeldvorming biedt een andere nuttige potentiële toepassing, hij zegt.

"Bijvoorbeeld, nanodeeltjes zijn gecoat met bindmiddelen die zich binden aan kankercellen, "zegt hij. "Onder bepaalde chemische en fysische omstandigheden, de nanodeeltjes kunnen worden afgestemd om licht uit te stralen, waarmee we foto's van de nanodeeltjes kunnen maken. Je zou de gebieden kunnen aanwijzen waar zich kankercellen in het lichaam bevinden. De regio's waar de kankercellen zich bevinden, verschijnen als lichtpuntjes op de foto."

Chakraborty voert zijn onderzoek uit in het kader van een NSF Faculty Early Career Development (CAREER) prijs. De prijs ondersteunt junior faculteiten die de rol van leraar-geleerden illustreren door middel van uitstekend onderzoek, excellent onderwijs en de integratie van onderwijs en onderzoek in het kader van de missie van hun organisatie. NSF financiert zijn werk met $ 622,- 123 over vijf jaar.

Als onderdeel van de educatieve component van de beurs, Chakraborty ontvangt verschillende studenten van een plaatselijke middelbare school - East Syracuse Mineoa High School - in zijn laboratorium. Hij heeft ook twee workshops georganiseerd voor middelbare scholieren over het gebruik van computerhulpmiddelen in hun klaslokalen "om scheikunde interessanter en intuïtiever te maken voor middelbare scholieren, " hij zegt.

"Het goede eraan is dat de kinderen echt met de moleculen kunnen werken, omdat ze ze op het scherm kunnen zien en ze kunnen manipuleren in de 3D-ruimte. " voegt hij eraan toe. "Ze kunnen hun structuur verkennen met behulp van computers. Ze kunnen afstanden meten, hoeken, en energieën geassocieerd met de moleculen, wat niet mogelijk is met een fysiek model. Ze kunnen het rekken, en zie het terugkeren naar zijn oorspronkelijke structuur. Het is een echte praktische ervaring die de kinderen kunnen hebben tijdens het leren van scheikunde."