A*STAR-wetenschappers hebben een 'gids voor goudzoekers' gemaakt om onderzoekers te helpen de beste germanium-silicium nanodraden te vinden voor het katalyseren van belangrijke reacties op schone energie.

Met behulp van zonlicht om water te splitsen in zijn samenstellende elementen, of om kooldioxide om te zetten in koolmonoxide of koolwaterstoffen, behoren tot de meest haalbare methoden om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen. Om hun potentieel te realiseren, beide reacties op schone energie vereisen katalysatoren.

Silicium is voordelig omdat de eigenschappen ervan goed zijn bestudeerd en het een overvloedig materiaal is, maar de 'band gap' tussen de geleidings- en valentiebanden is te smal om deze reacties effectief te katalyseren. Dit tekort kan op twee manieren worden verholpen:door silicium te 'nanosiseren' of door te experimenteren met verschillende legeringen van silicium.

Nutsvoorzieningen, Teck Leong Tan en Man-Fai Ng van het A*STAR Institute of High Performance Computing hebben computersimulaties gebruikt om het effect te onderzoeken van het variëren van de diameter van germanium-silicium nanodraden en ook de verhouding van silicium tot germanium op de katalytische eigenschappen van de legering .

Het doel van het onderzoek uitleggen, Tan zegt, "We dachten dat door zowel de diameter van de nanodraad als de samenstelling van de legering te variëren, we zouden een grotere ontwerpruimte kunnen genereren voor het ontwerpen van een materiaal met de optimale bandafstand en bandstructuren om schone-energiereacties te fotokatalyseren, zoals het splitsen van zonnewater en het verminderen van koolstofdioxide."

Het paar combineerde drie gevestigde computationele methoden om hun berekeningen uit te voeren:dichtheidsfunctionaaltheorie, clusteruitbreiding en Monte Carlo-simulaties. Hoewel deze combinatie van technieken al eerder is gebruikt, de onderzoekers ontdekten een eenvoudige correlatie waarmee ze bandhiaten nauwkeurig konden voorspellen met behulp van eenvoudigere rekenmethoden. Dit reduceerde de rekenkosten aanzienlijk, waardoor meer legeringsnanostructuren kunnen worden gescreend dan normaal.

De resultaten geven aan dat germanium-silicium nanodraden met een diameter van drie nanometer of kleiner geschikte fotokatalysatoren zijn voor zowel watersplitsing als koolstofdioxidereductie. Hun berekeningen voorspellen ook dat nanodraden met asymmetrische kern-schaalstructuren (zie afbeelding) effectiever zullen zijn dan die met conventionele symmetrische. Eindelijk, nanodraden met een diameter tussen 2 en 3 nanometer moeten bandhiaten hebben die goed zijn afgestemd op het spectrum van zonlicht, waardoor ze effectieve lichte oogstmachines zijn.

Volgens Tan, dit toont aan dat "de combinatie van de drie technieken een krachtige methodologie biedt voor het met hoge doorvoer screenen van legeringsnanostructuren op gewenste eigenschappen. Het kan worden aangepast aan andere toepassingen om de ontdekking van nieuwe materialen te versnellen."

De twee wetenschappers willen graag samenwerken met experimentatoren om de voorspellingen die door hun berekeningen zijn gegenereerd, te bevestigen. Ze zijn ook van plan de techniek toe te passen op andere veelbelovende nanodraadlegeringen van halfgeleiders.