Uma equipe de químicos de materiais, cientistas de polímeros, físicos de dispositivos e outros da Universidade de Massachusetts Amherst relatam hoje uma técnica inovadora para controlar a montagem molecular de nanopartículas em várias escalas de comprimento que devem permitir mais rapidez, mais barato, fabricação mais ecologicamente correta de fotovoltaicos orgânicos e outros dispositivos eletrônicos. Os detalhes estão na edição atual de Nano Letras .

Investigador principal, químico Dhandapani Venkataraman, destaca que as novas técnicas abordam com sucesso dois objetivos principais para a fabricação de dispositivos:controlar a montagem molecular e evitar solventes tóxicos como o clorobenzeno. "Agora temos uma maneira racional de controlar essa montagem em um sistema à base de água, "ele diz." É uma maneira completamente nova de olhar para os problemas. Com essa técnica, podemos forçá-lo na estrutura exata que você deseja. "

Químico de materiais Paul Lahti, co-diretor com Thomas Russell do Centro de Pesquisa de Fronteiras de Energia da UMass Amherst (EFRC) apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, diz, “Uma das grandes implicações deste trabalho é que vai muito além da fotovoltaica orgânica ou das células solares, onde este avanço está sendo aplicado agora. Olhando para o quadro geral, esta técnica oferece um muito promissor, nova abordagem flexível e ecologicamente correta para a montagem de materiais para fazer estruturas de dispositivos. "

Lahti compara o avanço da equipe UMass Amherst na ciência dos materiais ao tipo de benefícios que a indústria da construção viu com as unidades de construção pré-fabricadas. "Esta estratégia está alinhada com a linha filosófica geral, "ele diz." Nosso grupo descobriu uma maneira de usar o empacotamento de esferas para fazer com que todos os tipos de materiais se comportem em uma solução de água antes de serem pulverizados em superfícies em camadas finas e montados em um módulo. Estamos pré-montando alguns blocos de construção básicos com algumas características previsíveis, que estão disponíveis para construir seu dispositivo complexo. "

"Alguém ainda tem que conectá-lo e encaixá-lo da maneira que quiser, "Lahti acrescenta." Não está acabado, mas muitas peças são pré-montadas. E você pode solicitar as características de que precisa, por exemplo, uma certa direção ou intensidade do fluxo de elétrons. Todos os módulos podem ser ajustados para fornecer a disponibilidade de elétrons de uma determinada maneira. A disponibilidade pode ser ajustada, e mostramos que funciona. "

O novo método deve reduzir o tempo que as nanofabricantes gastam em buscas por tentativa e erro de materiais para fazer dispositivos eletrônicos, como células solares, transistores orgânicos e diodos emissores de luz orgânicos. "A maneira antiga pode levar anos, "Lahti diz.

"Outro dos nossos principais objetivos é fazer algo que possa ser escalado de nano a mesoescala, e nosso método faz isso. Também é muito mais ecologicamente correto porque usamos água em vez de solventes perigosos no processo, " ele adiciona.

Para fotovoltaicos, Venkataraman aponta, "O próximo passo é fazer dispositivos com outros polímeros surgindo, para aumentar a eficiência de conversão de energia e torná-los em substratos flexíveis. Neste artigo, trabalhamos com vidro, mas queremos traduzir para materiais flexíveis e produzir materiais manufaturados rolo a rolo com água. Esperamos realmente obter uma eficiência muito maior. "Ele sugere que atingir 5 por cento de eficiência de conversão de energia justificaria o investimento para fazer pequenas, painéis solares flexíveis para alimentar dispositivos como telefones inteligentes.

Se o smartphone médio usa 5 watts de energia e todos os 307 milhões de usuários dos Estados Unidos trocam de baterias por energia solar flexível, poderia economizar mais de 1.500 megawatts por ano. "Isso é quase a produção de uma usina nuclear, "Venkataraman diz, "e é mais dramático quando você considera que as usinas movidas a carvão geram 1 megawatt e liberam 2, 250 libras de dióxido de carbono. So if a fraction of the 6.6 billion mobile phone users globally changed to solar, it would reduce our carbon footprint a lot."

Doctoral student and first author Tim Gehan says that organic solar cells made in this way can be semi-transparent, também, "so you could replace tinted windows in a skyscraper and have them all producing electricity during the day when it's needed. And processing is much cheaper and cleaner with our cells than in traditional methods."

Venkataraman credits organic materials chemist Gehan, with postdoctoral fellow and device physicist Monojit Bag, with making "crucial observations" and using "persistent detective work" to get past various roadblocks in the experiments. "These two were outstanding in helping this story move ahead, " he notes. For their part, Gehan and Bag say they got critical help from the Amherst Fire Department, which loaned them an infrared camera to pinpoint some problem hot spots on a device.

It was Bag who put similar sized and charged nanoparticles together to form a building block, then used an artist's airbrush to spray layers of electrical circuits atop each other to create a solar-powered device. Ele diz, "Here we pre-formed structures at nanoscale so they will form a known structure assembled at the meso scale, from which you can make a device. Antes, you just hoped your two components in solution would form the right mesostructure, but with this technique we can direct it to that end."