محققان ETH زوریخ برای اولین بار دریافته‌اند که در مواد نانومتری، ارتعاشات اتمی چگونه اتفاق می‌افتند و چگونه می‌توان از این یافته‌ها در کاربردهای مختلف استفاده کرد. آن‌ها نشان داده‌اند که وقتی اندازه مواد حدود ۱۰ تا ۲۰ نانومتر است، اتم‌های سطح خارجی دارای
کشف رفتار ارتعاشی اتم‌ها در مواد نانومتری
ارتعاشات اتم‌ها در موادی که فونون‌ها نامیده می‌شوند، تعیین‌کننده چگونگی انتقال الکتریسیته و حرارت در یک ماده هستند. تمام مواد از اتم‌هایی تشکیل شده‌اند که در حال نوسان هستند. مطالعات زیادی روی ارتعاشات فلزات، نیمه‌رساناها و مواد عایق صورت گرفته است. اما اکنون مواد نانومقیاسی تولید شده‌اند که در کاربردهای مختلفی همچون حسگرها، نمایشگرها، کاتالیزورها و باتری‌ها عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهند. ارتعاشات اتمی در مواد نانومقیاس تاکنون ناشناخته مانده است.
در مقاله‌ای که اخیراً در مجله nature منتشر شده‌است، پروفسور ونسا وود و همکارانش از ETH چگونگی ارتعاشات اتمی در مواد نانومقیاس و چگونگی مهندسی سیستماتیک مواد با استفاده از یافته‌های جدید برای کاربردهای مختلف را توضیح داده‌اند.
در این مقاله نشان داده شده است که وقتی اندازه مواد حدود ۱۰ تا ۲۰ نانومتر است، اتم‌های سطح خارجی دارای ارتعاشات بسیار قوی بوده و نقش مهمی در چگونگی رفتار ماده ایفا می‌کنند.
وود می‌گوید: «در برخی کاربردها همچون کاتالیز، ترموالکتریک یا ابررساناها این ارتعاشات قوی خوب هستند، اما در برخی کاربردهای دیگر همچون دیودهای نورافشان یا پیل‌های سوختی، این نوسانات شدید نامطلوب به شمار می‌روند».
در این مقاله توضیح داده شده‌است که چرا پیل‌های سوختی مبتنی بر نانوذرات تاکنون نتوانسته‌اند قابلیت‌های خود را بروز دهند. این پژوهشگران به صورت آزمایشی و تئوری نشان داده‌اند که چگونه این ارتعاشات قوی با الکترون‌ها جریان نوری در پیل‌های سوختی تداخل می‌کنند. وود می‌افزاید: «حال که دریافته‌ایم این ارتعاشات مهم هستند، می‌توانیم مواد را به شکلی طراحی کنیم که در آن‌ها این ارتعاشات تقویت شده و یا تضعیف شوند».
گروه وود به مدت طولانی روی نوع خاصی از نانومواد نیمه‌رسانا به نام نانوبلورهای کلوئیدی با قطر ۲ تا ۱۰ نانومتر کار کرد. این مواد بسیار جذاب هستند؛ زیرا ویژگی‌های اُپتیکی و الکتریکی آن‌ها وابسته به اندازه آن‌هاست که به راحتی در طول فرایند سنتز قابل تنظیم است.
در حال حاضر این مواد به عنوان دیودهای نورافشان نوری با رنگ قرمز و سبز در تلویزیون‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. این محققان در حال بررسی استفاده از این نانوبلورها در پیل‌های خورشیدی ارزان و مبتنی بر محلول هستند. آن‌ها دریافته‌اند که قرار دادن اتم‌های خاص در اطراف سطح این نانوبلورها می‌تواند عملکرد پیل‌های سوختی را بهبود بخشد. دلیل این ویژگی نانشناخته بوده است. حال مقاله جدید پاسخ این پرسش را می‌دهد: یک پوسته سخت از اتم‌ها می‌تواند ارتعاشات سطحی و در نتیجه تداخل آن‌ها با الکترون‌ها را کاهش داده و کارایی پیل سوختی را افزایش دهد.
