p (Phys.org) —O próximo avanço em tecnologias de baterias altamente eficientes e células solares pode muito bem ser cristais nanoscópicos de silício montados como arranha-céus em substratos em escala de wafer. Uma rota importante para o crescimento desses "bigodes" em nanoescala - ou nanofios - envolve gotículas de metal ligado. p Moneesh Upmanyu, professor associado do Departamento de Engenharia Mecânica e Industrial, tem usado ferramentas computacionais para entender as interações em escala atômica entre essas gotículas e o crescimento de nanofios.

p "A gota é capaz de realizar multitarefa em vários níveis, e essa é a beleza desta técnica de crescimento, "disse Upmanyu." Ele catalisa e, em seguida, absorve as espécies em crescimento do vapor circundante, fica saturado, e, eventualmente, orienta a nucleação do nanofio em crescimento, não muito diferente de um jato que deixa um nanofio cristalino em seu rastro. "

p A técnica foi desenvolvida décadas atrás para cultivar "bigodes" de silício que usavam uma gota de metal liquefeito para fazer com que as partículas de silício vaporizadas se solidificassem como bigodes. A rota sintética agora é amplamente utilizada para o cultivo de nanofios para uma variedade de materiais tecnologicamente importantes.

p "A gota, em última análise, dá controle absoluto sobre a forma de crescimento, no entanto, ninguém sabia exatamente como esculpe os nanofios em formas e tamanhos específicos, "disse Hailong Wang, um ex-aluno de pós-doutorado dentro do grupo de Upmanyu e o primeiro autor em um artigo publicado recentemente sobre esta pesquisa na revista Nature Communications . O estudo foi realizado em colaboração com pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore e da Escola de Minas do Colorado.

p "Não havia entendimento na escala atômica, principalmente suposições, "acrescentou Upmanyu." Desmascará-los é fundamental, pois nos permite controlar a forma de crescimento e, como é o caso nessas escalas pequenas, a forma invariavelmente dita a função.

p Os pesquisadores descobriram que a gota não envolve uniformemente o nanofio. Em vez, ele persuade a extremidade crescente do nanofio a se facetar em bordas chanfradas desigualmente. "Esta coleção de bordas truncadas tem o mesmo propósito que as espirais de Arquimedes que facilitam o crescimento de cristais em macroescala, e essa é uma parte fundamental do quebra-cabeça para o crescimento em grande escala desses cristais com a forma prescrita, "Upmanyu disse. À medida que a gota coleta as partículas vaporizadas em seu estado líquido, eles começam a saturar o sistema e precipitar para formar o fio sólido. A precipitação é muito mais rápida nas bordas chanfradas, o que acaba levando ao crescimento camada por camada do nanofio.

p Com este novo entendimento, os pesquisadores podem começar a desenvolver estruturas cristalinas muito específicas - variando de painéis solares eficientes a iluminação LED - com preços relativamente baratos. Upmanyu já começou a colaborar com outros pesquisadores do Nordeste, de físicos a biólogos, para "esculpir" nanofios com propriedades particulares.

p "Uma compreensão fundamental do crescimento dos nanocristais continua sendo um desafio, como os processos-chave requerem um esforço interdisciplinar, "Upmanyu disse." Além de algoritmos e ferramentas computacionais de ponta, envolve elementos da química do crescimento, metalurgia da liga, e ciência de superfície. "