Alle materialen zijn opgebouwd uit atomen, die trillen. Deze trillingen, of 'fononen', zijn verantwoordelijk, bijvoorbeeld, voor hoe elektrische lading en warmte in materialen wordt getransporteerd. Trillingen van metalen, halfgeleiders, en isolatoren in zijn goed bestudeerd; echter, nu worden materialen op nanoschaal gemaakt om betere prestaties te leveren aan toepassingen zoals displays, sensoren, batterijen, en katalytische membranen. Wat er met trillingen gebeurt wanneer een materiaal nanogrootte heeft, is tot nu toe niet begrepen.

Zachte oppervlakken trillen sterk

In een recente publicatie in Natuur , ETH-professor Vanessa Wood en haar collega's leggen uit wat er gebeurt met atomaire trillingen wanneer materialen van nanoformaat zijn en hoe deze kennis kan worden gebruikt om systematisch nanomaterialen voor verschillende toepassingen te engineeren.

Het artikel laat zien dat wanneer materialen kleiner worden gemaakt dan ongeveer 10 tot 20 nanometer, dat wil zeggen, 5, 000 keer dunner dan een menselijke lucht - de trillingen van de buitenste atomaire lagen op het oppervlak van het nanodeeltje zijn groot en spelen een belangrijke rol in hoe dit materiaal zich gedraagt.

"Voor sommige toepassingen zoals katalyse, thermo-elektriciteit, of supergeleiding, deze grote trillingen kunnen goed zijn, maar voor andere toepassingen zoals leds of zonnecellen, deze trillingen zijn ongewenst, " legt Hout uit.

Inderdaad, het artikel legt uit waarom zonnecellen op basis van nanodeeltjes tot nu toe hun volledige belofte niet hebben waargemaakt. De onderzoekers toonden met behulp van zowel experiment als theorie aan dat oppervlaktetrillingen interageren met elektronen om de fotostroom in zonnecellen te verminderen.

"Nu we hebben bewezen dat oppervlaktetrillingen belangrijk zijn, we kunnen systematisch materialen ontwerpen om deze trillingen te onderdrukken of te versterken, "zeg Hout.

Zonnecellen verbeteren

De onderzoeksgroep van Wood heeft lange tijd gewerkt aan een bepaald type nanomateriaal - colloïdale nanokristallen - halfgeleiders met een diameter van 2 tot 10 nanometer. Deze materialen zijn interessant omdat hun optische en elektrische eigenschappen afhankelijk zijn van hun grootte, die gemakkelijk kunnen worden gewijzigd tijdens hun synthese.

Deze materialen worden nu commercieel gebruikt als rood- en groenlichtzenders in LED-tv's en worden onderzocht als mogelijke materialen voor lage kosten, oplossing verwerkte zonnecellen. Onderzoekers hebben gemerkt dat het plaatsen van bepaalde atomen rond het oppervlak van het nanokristal de prestaties van zonnecellen kan verbeteren. De reden waarom dit werkte was niet begrepen. Het werk gepubliceerd in de Natuur papier geeft nu het antwoord:een harde schil van atomen kan de trillingen en hun interactie met elektronen onderdrukken. Dit betekent een hogere fotostroom en een hogere efficiëntie zonnecel.

Grote wetenschap om de nanoschaal te bestuderen

Experimenten werden uitgevoerd in de laboratoria van professor Wood aan de ETH Zürich en aan de Swiss Spallation Neutron Source aan het Paul Scherrer Institute. Door te observeren hoe neutronen atomen in een materiaal verstrooien, het is mogelijk om te kwantificeren hoe atomen in een materiaal trillen. Om de neutronenmetingen te begrijpen, simulaties van de atomaire trillingen werden uitgevoerd in het Swiss National Supercomputing Center (CSCS) in Lugano. hout zegt, "zonder toegang tot deze grote faciliteiten, dit werk zou niet mogelijk zijn geweest. We hebben hier in Zwitserland ongelooflijk veel geluk met deze faciliteiten van wereldklasse."