Un equipo de investigación del Instituto Politécnico de Worcester WPI ha desarrollado un revolucionario material nanocompuesto semiconductor activado por luz que se puede utilizar en una variedad de aplicaciones, incluidos actuadores microscópicos y pinzas para robots quirúrgicos, micro-espejos con luz para microópticossistemas de telecomunicaciones y células solares y fotodetectores más eficientes.
"Esta es una nueva área de la ciencia", dijo Balaji Panchapakesan, profesor asociado de ingeniería mecánica en WPI y autor principal de un artículo sobre el nuevo material publicado en Informes científicos , una revista de acceso abierto de los editores de Nature. "Muy pocos materiales son capaces de convertir fotones directamente en movimiento mecánico. En este artículo, presentamos el primer material semicomductor de nanocompuestos conocido. Es un material fascinante que esTambién se distingue por su alta resistencia y su absorción óptica mejorada cuando se coloca bajo tensión mecánica.
"Pequeñas pinzas y actuadores hechos con este material podrían usarse en los rovers de Marte para capturar partículas finas de polvo", señaló Panchapakesan. "Podrían viajar a través del torrente sanguíneo en pequeños robots para capturar células cancerosas o tomar pequeñas muestras de tejido. El material podríase utilizaría para fabricar microaccionadores para espejos giratorios en sistemas ópticos de telecomunicaciones; funcionarían estrictamente con luz y no requerirían otra fuente de energía ".
Al igual que otros materiales semiconductores, disulfuro de molibdeno, el material descrito en el Informes científicos el papel se caracteriza por la forma en que los electrones están dispuestos y se mueven dentro de sus átomos. En particular, los electrones en los semiconductores pueden moverse de un grupo de orbitales externos llamados banda de valencia a otro grupo de orbitales conocido como la banda de conducción solo cuandoadecuadamente excitados por una fuente de energía, como un campo electromagnético o los fotones en un haz de luz. Cruzando el "intervalo de banda", los electrones crean un flujo de electricidad, que es el principal que hace posible los chips de computadora y las células solares.
Cuando los electrones cargados negativamente se mueven entre los orbitales, dejan huecos cargados positivamente conocidos como agujeros. Un par de un electrón unido y un agujero electrónico se llama excitón.
En sus experimentos, Panchapakesan y su equipo, que incluía a los estudiantes graduados Vahid Rahneshin y Farhad Khosravi, así como a colegas de la Universidad de Louisville y la Universidad de Varsovia Pasteura, observaron que los orbitales atómicos del molibdeno y los átomos de azufre en el molibdenolos disulfuros están dispuestos de una manera única que permite que los excitones dentro de la banda de conducción interactúen con lo que se conoce como los orbitales p de los átomos de azufre. Esta "resonancia de excitones" contribuye a los fuertes enlaces sigma que dan la matriz bidimensional de átomos enEl sulfuro de molibdeno es su fuerza extraordinaria. La fuerza de esta resonancia también es responsable de un efecto único que puede generar calor dentro del material. Es el calor el que da lugar a la respuesta mecánica cromática inducida por la luz del material.
Para aprovechar el fenómeno posterior, el equipo de Panchapakesan creó películas delgadas compuestas de solo una a tres capas de disulfuro de molibdeno encerradas en capas de un polímero similar al caucho. Exponieron estos nanocompuestos a varias longitudes de onda de luz y descubrieron que el calorgenerado como resultado de la resonancia del excitón, el polímero se expandió y contrajo, dependiendo de la longitud de onda de la luz utilizada. En trabajos anteriores, el equipo de Panchapakesan aprovechó esta respuesta fotomecánica al fabricar pequeñas pinzas que se abren y cierran en respuesta a los pulsos de luzLas pinzas pueden capturar cuentas de plástico del tamaño de una sola célula humana.
En otras pruebas, Panchapakesan y su equipo descubrieron otro comportamiento único del compuesto de disulfuro de molibdeno que abre la puerta a un conjunto diferente de aplicaciones. Empleando lo que se conoce como ingeniería de deformación, estiraron el material y descubrieron que los esfuerzos mecánicos aumentaron su capacidadpara absorber la luz
"Esto es algo que no se puede hacer con los semiconductores de película delgada convencionales", dijo Panchapakesan, "porque cuando los estira, se romperán prematuramente. Pero con su resistencia material única, el disulfuro de molibdeno se puede estirar. Y su aumento ópticola absorción bajo tensión lo convierte en un buen candidato para células solares, fotodetectores y detectores más eficientes para cámaras térmicas e infrarrojas.
"La resonancia de excitón, la respuesta fotomecánica y el aumento de la absorción óptica bajo tensión hacen de este un material extraordinario y un tema intrigante para futuras investigaciones", agregó.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto Politécnico de Worcester . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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