Infraestructuras energéticasDos paredes pueden vencer a una para los nanotubos de los paneles solares
Resumen
Los ingenieros ya sabían que el tamaño importa cuando se utilizan nanotubos de carbono de pared simple por sus propiedades eléctricas. Pero hasta ahora nadie había estudiado cómo actúan los electrones cuando se enfrentan a la estructura similar a una muñeca rusa de los tubos de paredes múltiples. Los investigadores de la Universidad de Rice calcularon el efecto de la curvatura de los nanotubos de carbono semiconductores de doble pared sobre su tensión flexoeléctrica. Esto afecta a la idoneidad de los pares de nanotubos anidados para las aplicaciones nanoelectrónicas, especialmente las fotovoltaicas. El equipo sugiere que sus hallazgos podrían aplicarse a otros tipos de nanotubos, como el nitruro de boro
y disulfuro de molibdeno, por sí solos o como híbridos con nanotubos de carbono. La investigación aparece en la revista Nano Letters y el equipo sugiere que puede ser una forma muy potente de inducir tensión para determinadas aplicaciones, escriben los investigadores. Los hallazgos podrían aplicarse también a otros nanotubos. La Oficina de Investigación del Ejército y Quantlab Financial.
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Dos paredes pueden vencer a una para los nanotubos de los paneles solares
Un nanotubo podría ser excelente para las aplicaciones electrónicas, pero los investigadores informan de nuevas pruebas de que dos podrían ser lo máximo.
Los ingenieros ya sabían que el tamaño importa cuando se utilizan nanotubos de carbono de pared simple por sus propiedades eléctricas. Pero hasta ahora nadie había estudiado cómo actúan los electrones cuando se enfrentan a la estructura similar a una muñeca rusa de los tubos de paredes múltiples. Ahora, los investigadores han calculado el efecto de la curvatura del carbono semiconductor de doble parednanotubossobre su tensión flexoeléctrica, una medida del desequilibrio eléctrico entre las paredes interior y exterior del nanotubo.
Esto afecta a la idoneidad de los pares de nanotubos anidados para las aplicaciones nanoelectrónicas, especialmente las fotovoltaicas.
En un estudio realizado en 2002, el laboratorio del teórico de materiales Boris Yakobson, de la Universidad de Rice, reveló cómo la transferencia de carga, la diferencia entre los polos positivo y negativo que permite que exista tensión entre uno y otro, escala linealmente a la curvatura de la pared del nanotubo. La anchura del tubo dicta la curvatura, y el laboratorio descubrió que cuanto más fino es el nanotubo (y, por tanto, mayor es la curvatura), mayor es el voltaje potencial. Cuando los átomos de carbono se forman planosgrafenoCuando los átomos de carbono forman un plano, la densidad de carga de los átomos a ambos lados del plano es idéntica, afirma Yakobson. Al curvar la hoja de grafeno en forma de tubo se rompe esa simetría, cambiando el equilibrio. Eso crea un dipolo local flexoeléctrico en la dirección de la curvatura y proporcional a ella, según los investigadores, que señalan que la flexoelectricidad del carbono 2D "es un efecto notable pero también bastante sutil".
Pero más de una pared complica enormemente el equilibrio, alterando la distribución de los electrones. En los nanotubos de doble pared, la curvatura de los tubos interiores y exteriores difiere, lo que da a cada uno una brecha de banda distinta. Además, los modelos mostraron que la tensión flexoeléctrica de la pared exterior desplaza la brecha de banda de la pared interior, creando una alineación de bandas escalonada en el sistema anidado.
"La novedad es que el tubo insertado, el 'bebé' (interior) de la matrioska, tiene todos sus niveles de energía cuántica desplazados debido al voltaje creado por el nanotubo exterior", afirma Yakobson. La interacción de las diferentes curvaturas, dice, provoca una transición de brecha de banda de estrábica a escalonada que tiene lugar a un diámetro crítico estimado de unos 2,4 nanómetros.
"Esto es una gran ventaja para las células solares, esencialmente un requisito para separar las cargas positivas y negativas para crear una corriente", dice Yakobson. "Cuando se absorbe la luz, un electrón siempre salta desde la parte superior de una banda de valencia ocupada (dejando un agujero "positivo" detrás) al estado más bajo de la banda de conductancia vacía.
"Pero en una configuración escalonada resulta que están en tubos o capas diferentes", dice. "El 'más' y el 'menos' se separan entre los tubos y pueden fluir generando corriente en un circuito".
Los cálculos del equipo también muestran que la modificación de las superficies de los nanotubos con átomos positivos o negativos podría crear "voltajes sustanciales de cualquier signo" de hasta tres voltios. "Aunque la funcionalización podría perturbar fuertemente las propiedades electrónicas denanotubosEl equipo sugiere que sus hallazgos podrían aplicarse a otros tipos de nanotubos, como el nitruro de boro y el disulfuro de molibdeno, solos o como híbridos con nanotubos de carbono.
La investigación teórica aparece en la revistaNano Cartas. Los coautores adicionales son de Rice y Quantlab Financial.
La Oficina de Investigación del Ejército y la Fundación Robert Welch apoyaron la investigación, que también recibió apoyo computacional del Programa de Modernización de la Computación de Alto Rendimiento del Departamento de Defensa y de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía.
Autor: Mike Williams-Rice
Crédito de la imagen: Flickr
Este artículo se publicó anteriormente en Futurity.
