Come vibrano gli atomi nei nanomateriali

I materiali sono costituiti da atomi che vibrano a temperatura ambiente. Queste vibrazioni reticolari collettive, note anche come fononi, sono responsabili di proprietà quali il trasporto di calore e di carica. Le vibrazioni del reticolo nei metalli, nei semiconduttori e negli isolanti sono oggi ben studiate. Finora, tuttavia, non era chiaro il loro comportamento nei nuovi materiali nanostrutturati, che dovrebbero portare a display, sensori, batterie e membrane catalitiche migliori.

La griglia vibra fortemente sulle superfici morbide

In un recente articolo pubblicato sulla rivista "Nature", la professoressa Vanessa Wood e il suo team dell'ETH mostrano il comportamento delle vibrazioni reticolari nelle nanoparticelle e come questa conoscenza possa essere utilizzata sistematicamente per lo sviluppo mirato di materiali nanostrutturati.

Nei materiali con dimensioni inferiori a 10-20 nanometri - circa 5000 volte più sottili di un capello umano - le vibrazioni degli atomi di superficie sono particolarmente pronunciate e hanno un'importante influenza sulle proprietà del materiale.

"Mentre queste forti vibrazioni possono essere utili in settori come la catalisi, la termoelettrica o la superconduttività, l'effetto osservato è indesiderabile per altre applicazioni come i LED e le celle solari", spiega Wood.

La pubblicazione spiega infatti perché le celle solari a base di nanoparticelle non sono ancora riuscite a sfruttare appieno il loro potenziale. Confrontando esperimenti e simulazioni, il gruppo di ricerca mostra come l'interazione delle vibrazioni reticolari sulla superficie con gli elettroni riduca la fotocorrente nelle celle solari.

"Ora che siamo riusciti a dimostrare che le vibrazioni reticolari in superficie sono estremamente importanti, possiamo sviluppare sistematicamente materiali che le sopprimano o le amplifichino", afferma Wood.

Celle solari migliori

Il gruppo di ricerca di Wood lavora da tempo con nanomateriali speciali, i nanocristalli colloidali. Questi cristalli, noti anche come punti quantici, hanno proprietà semiconduttrici e possono essere sintetizzati in modo controllato con un diametro da due a dieci nanometri.

Questi materiali sono interessanti per le loro proprietà ottiche ed elettriche, entrambe fortemente dipendenti dalla dimensione delle particelle. Sono già utilizzati in commercio come sorgenti di luce rossa e verde nei televisori a LED e come alternativa economica alle celle solari depositate con solventi. I ricercatori hanno scoperto che se un guscio di determinati atomi viene posto intorno alla superficie dei nanocristalli, le prestazioni della cella solare possono essere migliorate. Finora non era chiaro il motivo di questo fenomeno. L'articolo pubblicato su "Nature" spiega ora come ciò avvenga: Un guscio duro di atomi sopprime le vibrazioni del reticolo e la loro interazione con gli elettroni. Questo porta a fotocorrenti più elevate e a celle solari più efficienti.

I ricercatori dell'ETH hanno svolto le loro indagini presso la Sorgente di neutroni a spallazione svizzera dell'Istituto Paul Scherrer (PSI). Bombardando i cristalli con i neutroni, gli scienziati hanno osservato la struttura e le vibrazioni degli atomi in questi piccoli solidi. Le vibrazioni del reticolo dei nanocristalli sono state simulate anche con i supercomputer del Centro nazionale svizzero di supercalcolo (CSCS) di Lugano. "Senza l'accesso a queste strutture di ricerca su larga scala, questo lavoro non sarebbe stato possibile. In Svizzera abbiamo la fortuna di avere a disposizione installazioni uniche nel loro genere", sottolinea l'ETH.