Une ruée vers l'or scientifique

Les nanoparticules sont des grains de matière des dizaines de milliers de fois plus petits que la largeur d'un cheveu humain. Parce qu'ils sont si petits, un grand pourcentage des atomes des nanoparticules résident à leur surface plutôt qu'à l'intérieur. Cela signifie que les interactions de surface dominent le comportement des nanoparticules. Et, Pour cette raison, ils ont souvent des caractéristiques et des propriétés différentes de celles de gros morceaux du même matériau.

Alors que les scientifiques commencent tout juste à exploiter les nanoparticules, ils sont déjà très prometteurs dans de nombreux domaines, de la médecine à la fabrication à l'énergie. Par exemple, l'incorporation de certains types de nanoparticules dans les matériaux de construction rend les structures plus solides et plus résistantes à la corrosion. Et les transistors nano-conçus sont plus petits, plus rapide et plus efficace que les traditionnels.

"Les nanoparticules sont la ruée vers l'or scientifique de la prochaine génération, " dit le chimiste de l'INL Bob Fox, qui a aidé à développer la technologie Precision Nanoparticles. "Ils vont changer nos vies comme les ordinateurs personnels l'ont fait."

Parce que les propriétés des nanoparticules sont tellement dépendantes de la taille, toute petite modification dimensionnelle peut faire une grande différence. Ainsi, une clé pour exploiter le potentiel des nanoparticules réside dans la capacité de les produire à certaines tailles prescrites, avec de petites marges d'erreur. Cette capacité s'est avérée insaisissable, mais c'est exactement ce que Precision Nanoparticles offre.

Une nouvelle façon de fabriquer des nanoparticules

Il y a quelques années, Les chimistes de Fox et de l'ISU, Joshua Pak et Rene Rodriguez, ont commencé à chercher un meilleur moyen de fabriquer des composants semi-conducteurs pour les cellules solaires. Spécifiquement, ils voulaient améliorer la façon dont les matières premières sont transformées en nanoparticules semi-conductrices. La méthode établie de l'industrie pour le faire est relativement imprécise et énergivore, nécessitant des températures autour de 300 degrés Celsius.

L'équipe a eu l'idée d'utiliser du dioxyde de carbone "supercritique" pour rationaliser la réaction. Les fluides supercritiques sont un peu comme un mélange entre un gaz et un liquide. Ils peuvent diffuser à travers les solides, par exemple, mais aussi dissoudre des substances comme le fait un liquide. Le dioxyde de carbone supercritique est utilisé depuis des années pour décaféiner le café.

Mais quand Fox, Pak et Rodriguez ont introduit du dioxyde de carbone supercritique dans leur réacteur, le seul résultat immédiatement perceptible était une épaisse couche jaune.

"Nous pensions que c'était une expérience ratée, " dit Renard.

Mais quand les chimistes ont regardé de plus près, ils ont découvert que le goop était plein de très petits, nanoparticules semi-conductrices incroyablement uniformes. La même réaction, grossièrement, que l'industrie utilise pour transformer les matières premières en nanoparticules semi-conductrices avait eu lieu - mais cela a généré une meilleure, produit moins variable.

"Nous ne nous attendions pas à ce que cela nous donne une telle homogénéité, " dit Fox. " C'était vraiment excitant. " Et parce que la nouvelle réaction pouvait se dérouler à une température beaucoup plus basse - 65 degrés Celsius au lieu de 300 - elle promettait également d'économiser beaucoup d'argent et d'énergie.
Après avoir bricolé la réaction, Renard, Pak et Rodriguez ont découvert comment contrôler la taille des nanoparticules avec une précision sans précédent. Ils peuvent désormais produire des particules prescrites entre 1 et 100 nanomètres, frapper la marque à chaque fois avec une grande précision. En juillet, Le magazine R&D a reconnu cette technologie révolutionnaire comme l'une de ses 100 meilleures innovations de 2009 - un prix prestigieux communément appelé « Oscar de l'invention ». Et en septembre, l'œuvre a remporté le prix Early-Stage Innovation of the Year aux Stoel Rives Idaho Innovation Awards.
Renard, Pak et Rodriguez ont concédé sous licence la technologie à Precision Nanoparticles, Inc. La société relativement nouvelle de Seattle est sur le point de commencer la production de nanoparticules sur mesure pour l'industrie photovoltaïque.

Une meilleure cellule solaire

Les objectifs des chimistes de l'INL et de l'ISU — et de Precision Nanoparticles, Inc. — doivent rendre les cellules solaires plus efficaces et, finalement, l'énergie solaire plus pratique.

Dans une cellule solaire, les photons frappent les atomes d'un matériau semi-conducteur - historiquement, silicium - en faisant perdre des électrons. Ces électrons libérés circulent alors dans une seule direction, produire de l'électricité en courant continu. La quantité d'énergie nécessaire pour libérer les électrons est spécifique à chaque matériau et ne correspond qu'à une infime partie du spectre de rayonnement solaire. Ce fait explique pourquoi l'efficacité de la plupart des cellules actuelles atteint un maximum d'environ 20 %.

Pour éliminer un électron du silicium, par exemple, un photon entrant doit avoir une énergie d'environ 1,3 électron-volt. Cette énergie est connue sous le nom de bande interdite du silicium, et cela correspond à une longueur d'onde de photons d'environ 950 nanomètres. Les photons avec des énergies plus faibles - et donc des longueurs d'onde plus longues - ne feront pas le travail. Les photons de plus courte longueur d'onde, mais leur énergie au-dessus de 1,3 électron-volt est gaspillée, dissipée sous forme de chaleur. Ceci est une grosse affaire, parce que les photons les plus abondants de la lumière du soleil se produisent entre 500 et 600 nanomètres (que nos yeux enregistrent comme des verts et des jaunes) - ce qui signifie que la plupart des cellules photoélectriques actuelles gaspillent beaucoup d'énergie.

Les ingénieurs ont travaillé dur pour exploiter une plus grande partie du spectre solaire, pour concevoir des cellules qui mettent en œuvre des photons de basse énergie et utilisent plus efficacement les photons de haute énergie. Une façon d'y parvenir est de construire des cellules composites avec des couches de différents semi-conducteurs. Placer un film de sulfure de cuivre et d'indium sur une bande de silicium, dire, augmente le pouvoir de capture de photons d'une cellule. Mais la construction de tels dispositifs est coûteuse et technologiquement délicate.

"Les différentes couches ne jouent pas bien ensemble, " dit Renard.

C'est là qu'intervient la technologie Precision Nanoparticles. L'une des nombreuses propriétés qui changent avec la taille d'une nanoparticule est sa bande interdite. Parce que Fox et son équipe ont appris à contrôler si précisément les dimensions des nanoparticules, il sera peut-être bientôt possible de fabriquer - à partir d'un seul matériau - des blocs de construction semi-conducteurs adaptés à des longueurs d'onde spécifiques de la lumière. Une cellule photovoltaïque constituée de tels blocs de construction pourrait capturer d'énormes pans du spectre de l'énergie solaire. Et puisque les cellules ne contiendraient qu'un seul matériau semi-conducteur, ils seraient beaucoup moins chers, plus efficaces et plus faciles à construire que les conceptions multicouches actuelles.

Les nanoparticules semi-conductrices de certaines cellules, Fox croit, pourrait même être réglé pour capter les longueurs d'onde infrarouges - chaleur, qui rayonne sur les rochers, immeubles, routes et parkings jusque tard dans la nuit.

« Donc, votre panneau solaire pourrait fonctionner longtemps après que vous soyez allé au lit, " il dit.

Au-delà de l'énergie solaire

Alors que les applications les plus immédiates de Precision Nanoparticles se situent dans le domaine de sa naissance, photovoltaïque, les utilisations potentielles ne s'arrêtent pas là. Par exemple, la technologie pourrait également faire progresser considérablement la recherche sur les ultracondensateurs. Les ultracondensateurs stockent l'énergie électrique rapidement et efficacement, et ils pourraient un jour remplacer les batteries des voitures électriques et des hybrides rechargeables. Au moins un matériau, nitrure de vanadium, a une ultracapacité beaucoup plus élevée sous forme nanométrique - mais seulement si les nanoparticules sont de taille strictement uniforme, dit Fox.

Pour s'épanouir pleinement, la révolution nanotechnologique nécessitera le contrôle nécessaire pour produire une telle uniformité. Des technologies comme celle développée par Fox, Pak et Rodriguez peuvent être en mesure de fournir ce contrôle, livrant des particules de taille prévisible avec des propriétés prévisibles. Par conséquent, les nanoparticules pourraient se retrouver dans plus de conceptions, et plus de produits.

"La seule chose qui nous limite à ce stade est notre imagination, " dit Renard.

Fourni par le Laboratoire national de l'Idaho, Ce reportage est disponible ici. Il a été écrit par Mike Wall.