Ett team av materialkemister, polymerforskare, enhetsfysiker och andra vid University of Massachusetts Amherst rapporterar idag en genombrottsteknik för att kontrollera molekylär sammansättning av nanopartiklar över skalor med flera längder som bör tillåta snabbare, billigare, mer ekologiskt vänlig tillverkning av organiska solceller och andra elektroniska apparater. Detaljer finns i det aktuella numret av Nano bokstäver .

Ledande utredare, kemisten Dhandapani Venkataraman, påpekar att de nya teknikerna framgångsrikt tar upp två huvudmål för tillverkning av enheter:att kontrollera molekylär sammansättning och undvika giftiga lösningsmedel som klorbensen. "Nu har vi ett rationellt sätt att styra denna montering i ett vattenbaserat system, "säger han." Det är ett helt nytt sätt att se på problem. Med denna teknik kan vi tvinga in den exakta strukturen som du vill ha. "

Materialkemiker Paul Lahti, meddirektör med Thomas Russell från UMass Amherst's Energy Frontiers Research Center (EFRC) med stöd av U.S. Department of Energy, säger, "En av de stora konsekvenserna av detta arbete är att det går långt bortom organiska solceller eller solceller, där detta förskott tillämpas just nu. Tittar man på den större bilden, denna teknik erbjuder en mycket lovande, flexibelt och miljövänligt nytt tillvägagångssätt för att montera material för att göra enhetstrukturer. "

Lahti liknar UMass Amherst -gruppens framsteg inom materialvetenskap till den typ av fördelar byggindustrin såg med prefabricerade byggnader. "Denna strategi ligger längs den allmänna filosofiska linjen, "säger han." Vår grupp upptäckte ett sätt att använda sfärförpackning för att få alla möjliga material att bete sig i en vattenlösning innan de sprutas på ytor i tunna lager och monteras i en modul. Vi förmonterar några grundläggande byggstenar med några förutsägbara egenskaper, som sedan är tillgängliga för att bygga din komplexa enhet. "

"Någon måste fortfarande koppla ihop det och passa det som de vill, "Tillägger Lahti." Det är inte färdigt, men många delar är förmonterade. Och du kan beställa egenskaper som du behöver, till exempel, en viss elektronflödesriktning eller styrka. Alla moduler kan ställas in för att kunna tillhandahålla elektrontillgänglighet på ett visst sätt. Tillgängligheten kan justeras, och vi har visat att det fungerar. "

Den nya metoden bör minska den tid som nanotillverkningsföretag lägger på i försök-och-fel-sökningar efter material för att tillverka elektroniska enheter som solceller, organiska transistorer och organiska ljusemitterande dioder. "Det gamla sättet kan ta år, Säger Lahti.

"Ett annat av våra huvudmål är att göra något som kan skalas upp från nano- till mesoskala, och vår metod gör det. Det är också mycket mer miljövänligt eftersom vi använder vatten istället för farliga lösningsmedel i processen, " han lägger till.

För solceller, Venkataraman påpekar, "Nästa sak är att göra enheter med andra polymerer som följer med, för att öka effektomvandlingseffektiviteten och göra dem på flexibla underlag. I detta papper arbetade vi med glas, men vi vill översätta till flexibla material och producera rull-till-rulle tillverkade material med vatten. Vi förväntar oss att vi kommer att få mycket större effektivitet. "Han föreslår att uppnå 5 procent effektomvandlingseffektivitet skulle motivera investeringen för att göra små, flexibla solpaneler för att driva enheter som smarta telefoner.

Om den genomsnittliga smarttelefonen använder 5 watt ström och alla 307 miljoner amerikanska användare bytte från batterier till flexibel sol, det kan spara mer än 1500 megawatt per år. "Det är nästan produktionen från ett kärnkraftverk, "Venkataraman säger, "och det är mer dramatiskt när man tänker på att kolkraftverk genererar 1 megawatt och släpper ut 2, 250 lbs. av koldioxid. 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, också, "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. Han säger, "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. Innan, you just hoped your two components in solution would form the right mesostructure, but with this technique we can direct it to that end."