Det är lättare att lösa en sockerbit i ett glas vatten genom att först krossa kuben, eftersom de många små partiklarna täcker mer yta i vattnet än själva kuben. På ett sätt, samma princip gäller för det potentiella värdet av material som består av nanopartiklar.
Eftersom nanopartiklar är så små, miljoner gånger mindre än bredden på ett människohår, de har "en enorm yta, "höja möjligheten att använda dem för att designa material med effektivare sol-till-elektricitet och sol-till-kemisk energivägar, säger Ari Chakraborty, en biträdande professor i kemi vid Syracuse University.
"De är mycket lovande material, " säger han. "Du kan optimera mängden energi du producerar från en nanopartikelbaserad solcell."
Chakraborty, en expert på fysikalisk och teoretisk kemi, kvantmekanik och nanomaterial, försöker förstå hur dessa nanopartiklar interagerar med ljus efter att ha ändrat sin form och storlek, som betyder, till exempel, de skulle i slutändan kunna ge förbättrade fotovoltaiska och ljusskördande egenskaper. Att ändra deras form och storlek är möjligt "utan att ändra deras kemiska sammansättning, " säger han. "Samma kemiska förening i olika storlekar och former kommer att interagera olika med ljus."
Specifikt, den National Science Foundation (NSF)-finansierade forskaren fokuserar på kvantprickar, som är halvledarkristaller på nanometerskala. Kvantprickar är så små att elektronerna i dem bara existerar i tillstånd med specifika energier. Som sådan, kvantprickar beter sig på samma sätt som atomer, och, som atomer, kan uppnå högre energinivåer när ljus stimulerar dem.
Chakraborty arbetar med teoretisk och beräkningskemi, som betyder "vi arbetar endast med datorer och datorer, " säger han. "Målet med beräkningskemi är att använda fysikens grundläggande lagar för att förstå hur materia interagerar med varandra, och, i min forskning, med ljus. Vi vill förutsäga kemiska processer innan de faktiskt inträffar i labbet, som talar om för oss vilken riktning vi ska gå."
Dessa atomer och molekyler följer naturliga rörelselagar, "och vi vet vad de är, " säger han. "Tyvärr, de är för komplicerade för att lösas för hand eller kalkylator när de tillämpas på kemiska system, det är därför vi använder en dator."
De "elektroniskt exciterade" tillstånden hos nanopartiklarna påverkar deras optiska egenskaper, han säger.
"Vi undersöker dessa exciterade tillstånd genom att lösa Schrödinger-ekvationen för nanopartiklarna, " han säger, hänvisar till en partiell differentialekvation som beskriver hur kvanttillståndet för något fysiskt system förändras med tiden. "Schrödinger-ekvationen ger den kvantmekaniska beskrivningen av alla elektroner i nanopartikeln.
"Dock, noggrann lösning av Schrödinger-ekvationen är utmanande på grund av det stora antalet elektroner i systemet, " tillägger han. "T.ex. en 20 nanometer CdSe-kvantprick innehåller över 6 miljoner elektroner. För närvarande, det primära fokus för min forskargrupp är att utveckla nya kvantkemiska metoder för att möta dessa utmaningar. De nyutvecklade metoderna implementeras i beräkningsprogramvara med öppen källkod, som kommer att delas ut till allmänheten gratis."
Solenergi, "kräver ett ämne som fångar ljus, använder det, och överför den energin till elektrisk energi, " säger han. Med solcellsmaterial gjorda av nanopartiklar, "du kan använda olika former och storlekar, och fånga mer energi, " tillägger han. "Också, du kan ha en stor yta för en liten mängd material, så du behöver inte många av dem."
Nanopartiklar kan också vara användbara för att omvandla solenergi till kemisk energi, han säger. "Hur lagrar du energin när solen inte är ute?" han säger. "Till exempel, löv på ett träd tar energi och lagrar den som glukos, använd sedan glukosen till mat. En potentiell tillämpning är att utveckla konstgjorda löv för artificiell fotosyntes. Det finns ett stort område av pågående forskning för att göra föreningar som kan lagra energi."
Medicinsk bildbehandling presenterar en annan användbar potentiell tillämpning, han säger.
"Till exempel, nanopartiklar har belagts med bindemedel som binder till cancerceller, " säger han. "Under vissa kemiska och fysikaliska förhållanden, nanopartiklarna kan ställas in för att avge ljus, som gör att vi kan ta bilder av nanopartiklarna. Du kan peka ut de områden där det finns cancerceller i kroppen. De regioner där cancercellerna finns visas som ljusa fläckar på fotografiet."
Chakraborty bedriver sin forskning under en NSF Faculty Early Career Development (CAREER)-pris. Priset stöder juniorfakulteten som exemplifierar rollen som lärare och forskare genom enastående forskning, utmärkt utbildning och integration av utbildning och forskning inom ramen för deras organisations uppdrag. NSF finansierar hans arbete med $622, 123 under fem år.
Som en del av bidragets utbildningsdel, Chakraborty är värd för flera elever från en lokal gymnasieskola - East Syracuse Mineoa High School - i sitt labb. Han har också organiserat två workshops för gymnasielärare om hur man använder beräkningsverktyg i sina klassrum "för att göra kemi mer intressant och intuitiv för gymnasieelever, " han säger.
"Den riktigt bra delen med det är att barnen verkligen kan arbeta med molekylerna eftersom de kan se dem på skärmen och manipulera dem i 3D-rymden, ", tillägger han. "De kan utforska sin struktur med hjälp av datorer. De kan mäta avstånd, vinklar, och energier associerade med molekylerna, vilket inte är möjligt att göra med en fysisk modell. De kan sträcka det, och se den komma tillbaka till sin ursprungliga struktur. Det är en verklig praktisk upplevelse som barnen kan ha när de lär sig kemi."
