Il est plus facile de dissoudre un morceau de sucre dans un verre d'eau en écrasant d'abord le cube, parce que les nombreuses particules minuscules couvrent plus de surface dans l'eau que le cube lui-même. Dans un sens, le même principe s'applique à la valeur potentielle des matériaux composés de nanoparticules.

Parce que les nanoparticules sont si petites, des millions de fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain, ils ont "une surface énorme, " élevant la possibilité de les utiliser pour concevoir des matériaux avec des voies d'énergie solaire-électrique et solaire-chimique plus efficaces, dit Ari Chakraborty, professeur adjoint de chimie à l'Université de Syracuse.

« Ce sont des matériaux très prometteurs, " dit-il. " Vous pouvez optimiser la quantité d'énergie que vous produisez à partir d'une cellule solaire à base de nanoparticules. "

Chakraborty, un expert en chimie physique et théorique, mécanique quantique et nanomatériaux, cherche à comprendre comment ces nanoparticules interagissent avec la lumière après avoir changé de forme et de taille, ce qui signifie, par exemple, ils pourraient finalement fournir des propriétés photovoltaïques et de récupération de lumière améliorées. Changer leur forme et leur taille est possible "sans changer leur composition chimique, " dit-il. " Le même composé chimique dans différentes tailles et formes interagira différemment avec la lumière. "

Spécifiquement, le scientifique financé par la National Science Foundation (NSF) se concentre sur les points quantiques, qui sont des cristaux semi-conducteurs à l'échelle nanométrique. Les points quantiques sont si petits que les électrons qu'ils contiennent n'existent que dans des états avec des énergies spécifiques. En tant que tel, les points quantiques se comportent de la même manière que les atomes, et, comme les atomes, peuvent atteindre des niveaux d'énergie plus élevés lorsque la lumière les stimule.

Chakraborty travaille en chimie théorique et computationnelle, signifiant "nous travaillons avec des ordinateurs et des ordinateurs uniquement, " dit-il. " Le but de la chimie computationnelle est d'utiliser les lois fondamentales de la physique pour comprendre comment la matière interagit les unes avec les autres, et, dans mes recherches, avec lumière. Nous voulons prédire les processus chimiques avant qu'ils ne se produisent réellement en laboratoire, qui nous dit quelle direction suivre.

Ces atomes et molécules suivent les lois naturelles du mouvement, " et nous savons ce qu'ils sont, " dit-il. " Malheureusement, ils sont trop compliqués pour être résolus à la main ou à la calculatrice lorsqu'ils sont appliqués aux systèmes chimiques, c'est pourquoi nous utilisons un ordinateur."

Les états "électroniquement excités" des nanoparticules influencent leurs propriétés optiques, il dit.

"Nous étudions ces états excités en résolvant l'équation de Schrödinger pour les nanoparticules, " il dit, se référant à une équation différentielle partielle qui décrit comment l'état quantique de certains systèmes physiques change avec le temps. "L'équation de Schrödinger fournit la description mécanique quantique de tous les électrons de la nanoparticule.

"Toutefois, la solution précise de l'équation de Schrödinger est difficile en raison du grand nombre d'électrons dans le système, " ajoute-t-il. " Par exemple, une boîte quantique CdSe de 20 nanomètres contient plus de 6 millions d'électrons. Actuellement, l'objectif principal de mon groupe de recherche est de développer de nouvelles méthodes de chimie quantique pour relever ces défis. Les méthodes nouvellement développées sont implémentées dans un logiciel de calcul open source, qui sera distribué gratuitement au grand public.

voltaïque solaire, "exige une substance qui capte la lumière, l'utilise, et transfère cette énergie en énergie électrique, " dit-il. Avec des matériaux de cellules solaires constitués de nanoparticules, "vous pouvez utiliser différentes formes et tailles, et capter plus d'énergie, " ajoute-t-il. " Aussi, vous pouvez avoir une grande surface pour une petite quantité de matériaux, donc vous n'en avez pas besoin de beaucoup."

Les nanoparticules pourraient également être utiles pour convertir l'énergie solaire en énergie chimique, il dit. « Comment stockez-vous l'énergie lorsque le soleil n'est pas dehors ? » il dit. "Par exemple, les feuilles d'un arbre prennent de l'énergie et la stockent sous forme de glucose, puis plus tard utiliser le glucose pour la nourriture. Une application potentielle consiste à développer des feuilles artificielles pour la photosynthèse artificielle. Il y a un énorme domaine de recherche en cours pour fabriquer des composés capables de stocker de l'énergie. »

L'imagerie médicale présente une autre application potentielle utile, il dit.

"Par exemple, les nanoparticules ont été recouvertes d'agents de liaison qui se lient aux cellules cancéreuses, " dit-il. " Sous certaines conditions chimiques et physiques, les nanoparticules peuvent être réglées pour émettre de la lumière, ce qui nous permet de prendre des photos des nanoparticules. Vous pouvez localiser les zones où se trouvent des cellules cancéreuses dans le corps. Les régions où se trouvent les cellules cancéreuses apparaissent sous forme de points lumineux sur la photo. »

Chakraborty mène ses recherches dans le cadre d'un prix NSF Faculty Early Career Development (CAREER). Le prix soutient les jeunes professeurs qui incarnent le rôle des enseignants-chercheurs grâce à des recherches exceptionnelles, une excellente éducation et l'intégration de l'éducation et de la recherche dans le contexte de la mission de leur organisation. La NSF finance son travail avec 622 $ 123 sur cinq ans.

Dans le cadre du volet éducatif de la bourse, Chakraborty accueille dans son laboratoire plusieurs élèves d'un lycée local, le lycée East Syracuse Mineoa. Il a également organisé deux ateliers pour les enseignants du secondaire sur la façon d'utiliser les outils informatiques dans leurs salles de classe "pour rendre la chimie plus intéressante et intuitive pour les élèves du secondaire, " il dit.

"Ce qui est vraiment bien, c'est que les enfants peuvent vraiment travailler avec les molécules car ils peuvent les voir à l'écran et les manipuler dans l'espace 3D, " ajoute-t-il. "Ils peuvent explorer leur structure à l'aide d'ordinateurs. Ils peuvent mesurer des distances, angles, et les énergies associées aux molécules, ce qui n'est pas possible avec un modèle physique. Ils peuvent l'étirer, et le voir revenir à sa structure d'origine. C'est une véritable expérience pratique que les enfants peuvent vivre tout en apprenant la chimie."