p É mais fácil dissolver um cubo de açúcar em um copo de água esmagando o cubo primeiro, porque as numerosas partículas minúsculas cobrem mais área de superfície na água do que o próprio cubo. De certa forma, o mesmo princípio se aplica ao valor potencial de materiais compostos de nanopartículas. p Como as nanopartículas são tão pequenas, milhões de vezes menor que a largura de um cabelo humano, eles têm "uma tremenda área de superfície, "levantando a possibilidade de usá-los para projetar materiais com caminhos mais eficientes de energia solar para eletricidade e energia solar para química, diz Ari Chakraborty, professor assistente de química na Syracuse University.

p “São materiais muito promissores, "Ele diz." Você pode otimizar a quantidade de energia que você produz a partir de uma célula solar baseada em nanopartículas. "

p Chakraborty, um especialista em química física e teórica, mecânica quântica e nanomateriais, está procurando entender como essas nanopartículas interagem com a luz depois de mudar sua forma e tamanho, que significa, por exemplo, no final das contas, eles poderiam fornecer propriedades fotovoltaicas e de captação de luz aprimoradas. Mudar sua forma e tamanho é possível "sem mudar sua composição química, "ele diz." O mesmo composto químico em diferentes tamanhos e formas irá interagir de maneira diferente com a luz. "

p Especificamente, o cientista financiado pela National Science Foundation (NSF) está se concentrando em pontos quânticos, que são cristais semicondutores em escala nanométrica. Os pontos quânticos são tão minúsculos que os elétrons dentro deles existem apenas em estados com energias específicas. Como tal, os pontos quânticos se comportam de forma semelhante aos átomos, e, como átomos, podem atingir níveis mais elevados de energia quando a luz os estimula.

p Chakraborty trabalha em química teórica e computacional, que significa "trabalhamos apenas com computadores e computadores, "diz ele." O objetivo da química computacional é usar as leis fundamentais da física para entender como a matéria interage entre si, e, na minha pesquisa, com luz. Queremos prever os processos químicos antes que eles realmente aconteçam no laboratório, que nos diz qual direção seguir. "

p Esses átomos e moléculas seguem as leis naturais do movimento, "e sabemos o que são, "ele diz." Infelizmente, eles são muito complicados para serem resolvidos à mão ou calculadora quando aplicados a sistemas químicos, é por isso que usamos um computador. "

p Os estados "eletronicamente excitados" das nanopartículas influenciam suas propriedades ópticas, ele diz.

p "Investigamos esses estados excitados resolvendo a equação de Schrödinger para as nanopartículas, " ele diz, referindo-se a uma equação diferencial parcial que descreve como o estado quântico de algum sistema físico muda com o tempo. "A equação de Schrödinger fornece a descrição da mecânica quântica de todos os elétrons na nanopartícula.

p "Contudo, a solução precisa da equação de Schrödinger é um desafio devido ao grande número de elétrons no sistema, ", acrescenta." Por exemplo, um ponto quântico CdSe de 20 nanômetros contém mais de 6 milhões de elétrons. Atualmente, o foco principal do meu grupo de pesquisa é desenvolver novos métodos químicos quânticos para enfrentar esses desafios. Os métodos desenvolvidos recentemente são implementados em software computacional de código aberto, que será distribuído ao público em geral gratuitamente. "

p Solar voltaica, "requer uma substância que captura luz, usa-o, e transfere essa energia em energia elétrica, ", diz ele. Com materiais de células solares feitos de nanopartículas, "você pode usar diferentes formas e tamanhos, e capturar mais energia, "acrescenta." Além disso, você pode ter uma grande área de superfície para uma pequena quantidade de materiais, então você não precisa de muitos deles. "

p As nanopartículas também podem ser úteis na conversão de energia solar em energia química, ele diz. "Como você armazena a energia quando o sol não está aparecendo?" ele diz. "Por exemplo, as folhas de uma árvore absorvem energia e a armazenam como glicose, depois, use a glicose como alimento. Uma aplicação potencial é o desenvolvimento de folhas artificiais para fotossíntese artificial. Há uma grande área de pesquisa em andamento para fazer compostos que possam armazenar energia. "

p Imagens médicas apresentam outra aplicação potencial útil, ele diz.

p "Por exemplo, nanopartículas foram revestidas com agentes de ligação que se ligam a células cancerosas, "ele diz." Sob certas condições químicas e físicas, as nanopartículas podem ser ajustadas para emitir luz, o que nos permite tirar fotos das nanopartículas. Você pode identificar as áreas onde existem células cancerosas no corpo. As regiões onde as células cancerosas estão localizadas aparecem como pontos brilhantes na fotografia. "

p Chakraborty está conduzindo sua pesquisa sob um prêmio NSF Faculty Early Career Development (CAREER). O prêmio apoia o corpo docente júnior que exemplifica o papel dos professores-acadêmicos por meio de pesquisas excelentes, excelente educação e a integração da educação e da pesquisa no contexto da missão de sua organização. A NSF está financiando seu trabalho com $ 622, 123 em cinco anos.

p Como parte do componente educacional da bolsa, Chakraborty está hospedando vários alunos de uma escola local - East Syracuse Mineoa High School - em seu laboratório. Ele também organizou dois workshops para professores do ensino médio sobre como usar ferramentas computacionais em suas salas de aula "para tornar a química mais interessante e intuitiva para alunos do ensino médio, " ele diz.

p "A parte realmente boa nisso é que as crianças podem realmente trabalhar com as moléculas porque podem vê-las na tela e manipulá-las no espaço 3-D, ", acrescenta." Eles podem explorar sua estrutura usando computadores. Eles podem medir distâncias, ângulos, e energias associadas às moléculas, o que não é possível fazer com um modelo físico. Eles podem esticar isso, e vê-lo voltar à sua estrutura original. É uma experiência prática real que as crianças podem ter enquanto aprendem química. "