La investigación fundamental mejora la comprensión de los nuevos materiales ópticos

La investigación sobre la síntesis de nuevos materiales podría conducir a elementos más sostenibles y respetuosos con el medio ambiente, como paneles solares y diodos emisores de luz (LED). Científicos del Laboratorio Nacional Ames y la Universidad Estatal de Iowa han desarrollado un método de síntesis coloidal para calcogenuros alcalinotérreos. Este método les permite controlar el tamaño de los nanocristales en el material. También pudieron estudiar la química superficial de los nanocristales y evaluar la pureza y las propiedades ópticas de los materiales involucrados. Su investigación se analiza en el artículo «Alkaline-Earth Chalcogenide Nanocrystals: Solution-Phase Synthesis, Surface Chemistry, and Stability», publicado en ACS Nano.

Los calcogenuros alcalinotérreos son un tipo de semiconductor de creciente interés entre los científicos. Tienen una variedad de aplicaciones posibles, como bioimágenes, LED y sensores térmicos. Estos compuestos también se pueden usar para fabricar materiales ópticos como las perovskitas, que convierten la luz en energía.

Según Javier Vela, científico de Ames Lab y profesor John D. Corbett de Química en la Universidad Estatal de Iowa, una de las razones por las que estos nuevos materiales son de interés es porque «están compuestos por elementos abundantes en la tierra y biocompatibles, lo que los convierte en alternativas favorables en comparación con a los semiconductores tóxicos o costosos más utilizados».

Vela explicó que los semiconductores más utilizados contienen plomo o cadmio, ambos elementos perjudiciales para la salud humana y el medio ambiente. Además, la técnica más popular que utilizan los científicos para sintetizar estos materiales implica reacciones de estado sólido. «Estas reacciones a menudo ocurren a temperaturas extremadamente altas (por encima de 900 °C o 1652 °F) y requieren tiempos de reacción que pueden durar desde días hasta semanas», dijo.

Por otro lado, Vela explicó que «la química en fase de solución (coloidal) se puede realizar utilizando temperaturas mucho más bajas (por debajo de 300 °C o 572 °F) y tiempos de reacción más cortos». Por lo tanto, el método coloidal que utilizó el equipo de Vela requiere menos energía y tiempo para sintetizar los materiales.

El equipo de Vela descubrió que el método de síntesis coloidal les permitía controlar el tamaño de los nanocristales. El tamaño de los nanocristales es importante porque determina las propiedades ópticas de algunos materiales. Vela explicó que al cambiar el tamaño de las partículas, los científicos pueden influir en qué tan bien los materiales absorben la luz. «Esto significa que potencialmente podemos sintetizar materiales que son más adecuados para aplicaciones específicas simplemente cambiando el tamaño de los nanocristales», dijo.

Según Vela, el objetivo original del equipo era sintetizar perovskitas de calcogenuro alcalinotérreo semiconductoras, debido a su uso potencial en dispositivos solares. Sin embargo, para lograr este objetivo, necesitaban una comprensión más profunda de la química fundamental de los calcogenuros alcalinotérreos. Eligieron centrarse en estos materiales binarios en su lugar.

Vela dijo que su investigación satisface la necesidad de mejorar la comprensión de los científicos sobre los materiales fotovoltaicos, luminiscentes y termoeléctricos que están hechos de elementos abundantes en la tierra y no tóxicos. Dijo: «Esperamos que nuestros desarrollos con este proyecto finalmente ayuden en la síntesis de nanomateriales más complejos, como las perovskitas de calcogenuro alcalinotérreo».

Los autores del estudio incluyeron a Alison N. Roth, Yunhua Chen, Marquix AS Adamson, Eunbyeol Gi, Molly Wagner, Aaron J. Rossini y Javier Vela.