Wetenschappers hebben er lang over gedebatteerd of de kwantummechanica een rol speelt in het gedrag van nanostructuren, zoals kwantumdots en nanodraden. Nu heeft een team van onderzoekers van de Universiteit van Californië, Berkeley, een reeks wiskundige vergelijkingen ontwikkeld die deze vraag definitief kunnen oplossen.

De vergelijkingen, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Nanotechnology, laten zien dat het gedrag van nanostructuren kan worden beschreven door de klassieke natuurkunde, of op zijn minst door een aangepaste versie van de klassieke natuurkunde die kleine correcties maakt voor kwantumeffecten. Dit betekent dat de kwantummechanica geen significante rol speelt in het gedrag van nanostructuren.

Deze bevinding is belangrijk voor de ontwikkeling van nanotechnologie, omdat het betekent dat ingenieurs nanostructuren kunnen ontwerpen en bouwen zonder zich zorgen te hoeven maken over kwantumeffecten. Dit zou kunnen leiden tot een nieuwe generatie elektronische apparaten, zonnecellen en andere technologieën die kleiner, sneller en efficiënter zijn dan de huidige apparaten.

De vergelijkingen van de onderzoekers zijn gebaseerd op een techniek die de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) wordt genoemd. DFT is een veelgebruikte methode voor het berekenen van de eigenschappen van materialen en is succesvol geweest bij het beschrijven van het gedrag van een grote verscheidenheid aan materialen, van eenvoudige atomen tot complexe moleculen.

De onderzoekers hebben DFT aangepast om kleine correcties voor kwantumeffecten op te nemen. Deze correcties zijn nodig omdat DFT een klassieke theorie is en geen rekening houdt met de golf-deeltjesdualiteit van elektronen.

De vergelijkingen van de onderzoekers zijn een aanzienlijke vooruitgang in het begrip van nanostructuren. Ze bieden een definitief antwoord op de vraag of de kwantummechanica een rol speelt in het gedrag van nanostructuren, en ze openen de deur naar een nieuwe generatie nanotechnologie-apparaten.

Naast hun belang voor de nanotechnologie hebben de vergelijkingen van de onderzoekers ook implicaties voor de fundamentele natuurkunde. Ze laten zien dat de wetten van de klassieke natuurkunde voldoende zijn om het gedrag van materie op nanoschaal te beschrijven. Dit is een belangrijke bevinding, omdat het de traditionele opvatting in twijfel trekt dat de kwantummechanica de enige theorie is die het gedrag van materie op atomaire en subatomaire schaal kan beschrijven.

De vergelijkingen van de onderzoekers zijn een krachtig hulpmiddel om het gedrag van nanostructuren te begrijpen. Ze zullen zeker een belangrijke rol spelen in de ontwikkeling van toekomstige nanotechnologie-apparaten.