تحول تکنولوژی، با پیشرفت و توسعه‌ی نانومواد با بُعد کم Development of low-dimensional nanomaterials

نانومواد با بُعد کم

تحول تکنولوژی، با پیشرفت و توسعه‌ی نانومواد با بُعد کم

 Development of low-dimensional nanomaterials could revolutionize future technologies

برخی از دانشمندان بر این باورند که با پیشرفت‌های علمی در سنتز نانومواد با بُعد کم در پردازنده‌های کامپیوترها، نمایشگرهای تلویزیون و سلول‌های خورشیدی، پیشرفت‌های چشمگیری حاصل خواهد شد.

Javier Vel دانشمند دپارتمان انرژی لابراتوار Ames آمریکا بر این باور است که پیشرفت پردازنده‌های کامپیوتر، نمایشگرهای تلویزیون و سلول‌های خورشیدی در گروی پیشرفت در سنتز نانومواد با بُعد کم (Low dimensional) می‌باشد.

دانشمندان لابراتوار Ames با تخصص در سنتز و تولید مواد متفاوت شناخته می‌شوند. در بسیاری از موارد، این مواد جدید به صورت بالک یعنی با ابعاد میکرومتر تا سانتی‌متر ساخته شده‌اند. گروه Vela در این لابراتوار، روی مواد ریز، نانومتری و نانوبلور کار می‌کنند.

گروه Vela اظهار کرده است که: ” ما به دنبالا درک پدیده‌های غیرمنتظره و جالب رخ داده در اثر ریزتر شدن مواد هستیم. هدف ما گسترش دانش نانومواد بُعد پایین می‌باشد. مقاله‌ی این پژوهش با عنوان ” پیشرفت ساخت نانومواد با بُعد کم” در ژورنال Chemistry of Materials به چاپ رسیده است و در آن در مورد پژوهش‌های اخیر بر سنتز مواد با بُعد کم بحث شده است.”

یکی از این عناوین مورد بحث، در مورد سنتز نانوبلورهای Core-Shell بر پایه‌ی ژرمانیم  بوده است. گروه Vela در این مورد می‌گویند که صنعت بسیار علاقمند به استفاده از نیمه‌هادی‌های بر پایه‌ی تکنولوژی‌های نانوبلورها برای کاربردهایی مانند سلول‌های خورشیدی می‌باشد.

ذرات با اندازه‌ی ریز می‌تواند بر موارد بسیاری، از خواص انتقالی گرفته تا خواص نوری تاثیرگذار ‌باشد. به خصوص در مورد سلول‌های خورشیدی فوتوولتائیک این امر بسیار تاثیر گذار می‌باشد، به این معنی که عملکرد سلول‌های خورشیدی ساخته شده از نیمه‌هادی‌های بالک، عملکرد بسیار پایین‌تری از سلول‌های خورشیدی ساخته شده از نیمه‌هادی‌های متشکل از نانومواد می‌باشد. نانومواد به صورت متفاوتی با پرتوهای نور اندرکنش برقرار کرده و جذب نور بهتر صورت می‌پذیرد. بدین طریق می‌توان دستگاه‌هایی را ساخته و به خوبی عملکرد آن‌ها و یا بازده تبدیل انرژی آن‌ها را بهبود بخشید.

به جز سلول‌های خورشیدی، علاقه‌ی بسیاری در استفاده از نانوبلورها در نمایشگرهای تلوزیون و کامپیوتر با تکنولوژی کوانتوم دات و دستگاه‌های نوری مانند LED ها (دیودهای نشرکننده‌ی نور)، تصویربرداری‌های زیستی و ارتباطات مخابراتی وجود دارد.

دکتر Vela در ادامه افزورده است که: “چالش‌های بسیاری در این مورد وجود دارد چرا که با استفاده از نانوبلورها و تکنولوژی نانو، تفاوت چشمگیری در خواص گسیلش این دستگاه‌ها ایجاد شده و از این طریق می‌توان به نشر نورهای تک‌رنگ تمیز و با کیفیتی که دارای محدوده طول موج بسیار باریکی هستند دست یافت. صنعت تلویزیون و کامپیوتر، امروزه یکی از مهم‌ترین صنایع در گستره‌ی جهان بوده و دلیل تمایل ما به درک کامل خواص و رفتارهای نانومواد به این خاطر می‌باشد.”

در مقاله‌ی ارائه شده توسط گروه Vela، اهمیت مطالعه‌ی سنتز و طیف‌سنجی پروسکایت هالیدی با پیوندهای سرب-کربن(Organolead) که یکی از مهم‌ترین مواد مورد استفاده در سلول‌های خورشیدی با قیمت پایین و فرآیند ساخت آسان هستند، مورد بحث قرار گرفته است. “او اضافه کرد که فتوولتائیک‌های ساخته شده از این مواد، اکنون به بازدهی تبدیل انرژی بیش از ۲۲% رسیده‌اند. پژوهش‌های گروه Vela در این زمینه، بر پروسکایت‌های هالیدی ترکیبی متمرکز شده است. او گفت که گروه او به خواص شیمیایی و فتوفیزیکی پی برده‌اند که پیش از این مشخص نبوده است و اکنون به دنبال درک رابطه‌ی بین ساختار و ترکیب شیمیایی پروسکایت و چگونگی عملکرد آن در سلول‌های خورشیدی هستند. او افزود، یکی از اهداف مهم ما دستیابی به سلول‌های خورشیدی با هزینه‌ی کم‌تر و قابلیت اطمینان بش‌تر می‌باشد.”

او در ادامه افزود: “علاوه بر این، گروه Vela در حال مطالعه بر چگونگی جایگزین کردن پیوندهای Organolead  به جای سرب، در پروسکایت‌های هالیدی هستند، چراکه سرب بسیار عنصر سنگینی می‌باشد.”

منبع: sciencedaily.com

مترجم : امیر اشجاری

Development of low-dimensional nanomaterials could revolutionize future technologies

Some scientists believe improvements in computer processors, TV displays and solar cells will come from scientific advancements in the synthesis of low-dimensional nanomaterials.

Javier Vela, scientist at the U.S. Department of Energy’s Ames Laboratory, believes improvements in computer processors, TV displays and solar cells will come from scientific advancements in the synthesis of low-dimensional nanomaterials.

Ames Laboratory scientists are known for their expertise in the synthesis and manufacturing of materials of different types, according to Vela, who is also an Iowa State University associate professor of chemistry. In many instances, those new materials are made in bulk form, which means micrometers to centimeters in size. Vela’s group is working with tiny, nanometer, or one billionth of a meter sized, nanocrystals.

“We’re trying to find out what happens with materials when we go to lower particle sizes, will the materials be enhanced or negatively impacted, or will we find properties that weren’t expected,” Vela said. “Our goal is to broaden the science of low-dimensional nanomaterials.” In an invited paper published in Chemistry of Materials entitled, “Synthetic Development of Low Dimensional Materials,” Vela and coauthors Long Men, Miles White, Himashi Andaraarachchi, and Bryan Rosales discussed highlights of some of their most recent work on the synthesis of low dimensional materials.

One of those topics was advancements in the synthesis of germanium-based core-shell nanocrystals. Vela says industry is very interested in semiconducting nanocrystal-based technologies for applications such as solar cells.

Small particle size can affect many things from transport properties (how well a nanocrystal conducts heat and electricity) to optical properties (how strong it interacts with light, absorbs light and emits light). This is especially true in photovoltaic solar cells “Let’s say you’re using a semiconductor material to make a solar device, there’s often different performance when solar cells are made from bulk materials as opposed to when they are made with nanomaterials. Nanomaterials interact with light differently; they absorb it better. That’s one way you can manipulate devices and fine tune their performance or power conversion efficiency,” said Vela.

Beyond solar cells, Vela says there’s tremendous interest in using nanocrystals in quantum dot television and computer displays, optical devices like LEDs (light-emitting diodes), biological imaging, and telecommunications.

He says there are many challenges in this area because depending upon the quality of the nanocrystals used, you can see different emission properties, which can affect the purity of light. “Ultimately the size of the nanocrystals being used can make a huge difference in the cleanliness or crispness of colors in TV and computer displays,” said Vela. “Television and computer technology is a multibillion dollar business worldwide, so you can see the potential value our understanding of properties of nanocrystals could bring to these technologies.”

In the paper, Vela’s group also discussed advancements made in the study of synthesis and spectroscopic characterization of organolead halide perovskites, which Vela says are some of the most promising semiconductors for solar cells because of their low cost and easier processability. He adds photovoltaics made of these materials now reach power conversion efficiencies of greater than 22 percent. Vela’s research in this area has focused on mixed-halide perovskites. He says his group has discovered these materials exhibit interesting chemical and photo physical properties that people hadn’t realized before, and now they are trying to better understand the correlation between the structure and chemical composition of perovskites and how they behave in solar cells. “One of our goals is to use what we’ve learned to help lower the cost of solar cells and produce them more reliably and readily,” Vela said.

In addition, Vela’s group is studying how to replace lead in traditional organolead halide perovskites with something less toxic, like germanium. “In principle, this is an area that should be much better known, but it’s not,” said Vela. “When we’ve been able to substitute germanium for lead, we have been able to produce a lighter perovskite, which he says could positively impact the automotive industry, for example.

“This could have great implications for transportation applications where you don’t want a lot of lead because it’s so heavy,” said Vela. Going forward Vela says his group’s focus will be on advancing the science in low-dimensional materials.