Silvija Gradečak a de grandes intentions pour les petits ingrédients. Le professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux au MIT se concentre sur la conversion d'énergie et la récolte de lumière grâce à l'utilisation de nanomatériaux. C'est à ces échelles microscopiques qu'elle peut personnaliser des composants individuels, fusionner les pièces, et créer un nouveau type de matériau.

Le travail n'est pas sans défis :il est nécessaire de comprendre et d'équilibrer délicatement des pièces à l'échelle atomique, puis de pouvoir utiliser les découvertes faites en laboratoire et de les appliquer à un espace de travail plus grand.

Mais il y a aussi de grandes possibilités :ses cellules solaires pourraient absorber et utiliser plus de lumière du soleil. Ses ampoules pourraient durer plus longtemps, et ses appareils thermoélectriques pourraient prendre la chaleur qui serait autrement perdue et la transformer en énergie. « Nous recherchons plus d'efficacité, plus respectueux de l'environnement, et une technologie moins chère avec de nouvelles capacités, " dit Gradečak.

Travailler dans des espaces clos

L'un des avantages de l'utilisation des nanomatériaux est leur échelle, dit Gradečak. Les dimensions confinées sont idéales pour adapter les propriétés des électrons, photons, et protons, offrant la possibilité de concevoir des composants individuels à l'échelle nanométrique et, en utilisant des méthodes de synthèse, contrôler leurs propriétés et leurs performances. Par exemple, en modifiant la taille et la composition des nanomatériaux, Gradečak peut modifier la bande interdite énergétique d'un semi-conducteur, permettant d'absorber des photons de différentes énergies dans un nouveau type de cellule solaire.

La recherche n'en est qu'à ses débuts, mais Gradečak dit qu'il existe un potentiel pour diverses applications de récolte de lumière, en particulier lorsqu'il s'agit d'efficacité. Tel qu'il est, en une heure, la Terre reçoit suffisamment de lumière solaire pour fournir une année d'énergie. Le problème est que seule une partie de la lumière du soleil est utilisée avec la technologie solaire actuelle.

Les cellules de Gradečak pourraient être personnalisées pour absorber différentes longueurs d'onde et composées de plusieurs types de nanomatériaux :nanofils, nanoparticules, et le graphène, qui ont chacun une fonction spécifique dans le nouveau type de cellules solaires. Les dispositifs pourraient être placés sur des bâtiments et d'autres surfaces pour prendre en compte les besoins d'une application spécifique et d'un emplacement géographique donné. Ajoutant à cela, les nouvelles cellules solaires sont flexibles, poids léger, et transparent - les cellules ne seraient pas limitées dans leur placement, mais peut maintenant être utilisé sur des surfaces courbes et mobiles, comme les voitures et les vêtements. "Récolter la lumière solaire deviendrait une question de commodité, " elle dit.

Jouer avec les couleurs

Un autre de ses projets porte sur le développement de diodes électroluminescentes :les sources actuelles de lumière artificielle pourraient durer plus longtemps et être plus efficaces. Comme le dit Gradečak, ils génèrent plus de chaleur que de lumière. Les ampoules à base de diodes semi-conductrices existent et elles sont déjà plus performantes, mais ils sont aussi plus chers. Les nanofils pourraient contenir la solution. Ils peuvent être cultivés sur une variété de substrats, réduisant ainsi les coûts, et ils ne contiennent pas les défauts inhérents à la technologie actuelle.

Le défi de la fabrication de sources lumineuses est de produire les mêmes couleurs et intensités que le soleil, et en les rendant confortables pour l'œil humain. Dans le laboratoire de Gradečak, elle conçoit un appareil capable d'émettre des verts, bleus, et rouges dans des proportions différentes. Avec la nanotechnologie, elle peut régler la bande interdite des matériaux et par conséquent changer la longueur d'onde. Simultanément, elle travaille sur une technologie qui produit une lumière bleue qui se transforme en rouge et en vert dans des proportions différentes grâce à l'utilisation de matériaux phosphorés, qui absorbent la lumière bleue et la réémettent dans une couleur différente.

Le défi principal d'une transition réussie est de comprendre les nanocomposants et de les faire fonctionner ensemble. Gradečak a développé une technique de caractérisation qui peut déterminer comment la modification de la composition et de la morphologie des nanomatériaux modifie les propriétés optiques. Ou, comme elle dit, « Quels sont les boutons que nous devons régler pendant la synthèse pour obtenir des fonctionnalités spécifiques ? »

Ainsi que, Gradečak cherche des moyens d'améliorer la flexibilité et l'efficacité des cellules solaires, notamment par des électrodes transparentes. C'est là que son utilisation du graphène joue un rôle clé. Actuellement, l'oxyde d'indium-étain est la norme de l'industrie, mais c'est cher. Le graphène a une couche d'atomes de carbone, ainsi que la conductivité et la flexibilité nécessaires. La question que Gradečak continue d'explorer est de savoir comment déposer des matériaux sur du graphène de manière à les faire s'interfacer et produire une cellule solaire exploitable.

Contrôle de la température

L'un de ses autres projets consiste à développer un appareil thermoélectrique. Semblable à une cellule solaire, cela permettrait d'exploiter l'énergie thermique et de la convertir en électricité. Par exemple, le moteur d'une voiture génère une température élevée, mais la plupart de cette énergie est gaspillée. Son espoir est de capter cette chaleur et de l'utiliser finalement pour alimenter les systèmes électriques du véhicule. A fait un pas de plus, des cellules solaires pourraient être placées sur cette même voiture pour la chauffer ou la refroidir. "C'est un développement qui s'annonce bien dans le futur, mais qui ouvrirait de nouvelles façons de penser l'énergie, " dit Gradečak.

Avec tout son travail, un aspect essentiel est la maîtrise de la question de l'échelle. Elle travaille avec des atomes de différents matériaux. Chacun pourrait être personnalisé, mais jouer avec l'un peut affecter les autres de manière indicible. L'interaction et l'équilibre corrects peuvent être trouvés, mais ce n'est qu'un élément de l'équation. L'étape suivante et nécessaire du processus consiste à prendre une découverte en laboratoire qui fonctionne à 1 pouce carré et à la traduire dans la vie réelle, pratique, taille requise par l'industrie, tout en préservant la qualité et l'efficacité.

« Les nanomatériaux offrent des opportunités passionnantes, et comprendre comment traduire leurs propriétés à l'échelle macroscopique est la clé de l'évolutivité et de nouvelles applications énergétiques qui n'existent pas actuellement, " dit Gradečak.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.