(semi traduction )
Spectrometer made from quantum dots is compact and low cost
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Devices could someday be used in household appliances
Colour coding: quantum dots being deposited on a digital camera
Le premier spectromètre fabriqué à partir de boites s quantiques vient d être dévoilé par Jie Bao de l'Université Tsinghua en Chine et Moungi Bawendi de l'Institut de Technologie du Massachusetts aux États-Unis. Selon ses inventeurs, l'instrument pourrait être produit commercialement et destiné à devenir aussi petit, peu coûteux et simple que l’ appareil photo de notre téléphone mobile. Des spectromètres aussi compacts pouvaient trouver une large gamme d'applications, depuis la collecte de données scientifiques sur les missions spatiales ,jusqu’ à des capteurs intégrés dans les appareils ménagers.
Tout spectrométrie qui mesure l'intensité de la lumière en fonction de sa longueur d'onde est utilisé pour étudier diverses propriétés des substances émettrices de lumière ou absorbant la lumière. Cela en fait une technique d'analyse précieuse qui est utilisée dans un large éventail de disciplines scientifiques et technologiques. La plupart des techniques spectroscopiques implique de disperser la lumière en fonction de sa longueur d'onde. Un prisme, par exemple, peut être utilisé pour « décomposer » par déviation la lumière en ses diverses longueurs d'onde constitutives ( ses couleurs) et un spectre peut alors être acquis au moyen d'un détecteur mobile de lumière sensible à leur position dans l’espace . Bao et Bawendi ont adopté une approche différente, en utilisant des boites quantiques pour créer un réseau de filtres passe-bande pour le passage de chaque longueur d’onde et avant d'atteindre le détecteur sensible .
Les boites ou points quantiques sont de minuscules morceaux de semi-conducteurs de quelques nanomètres de diamètre. Ils sont parfois décrits comme des atomes artificiels parce que, comme les atomes, ils absorbent et émettent de la lumière à des longueurs d'onde spécifiques. Contrairement aux atomes, cependant, les longueurs d'onde peuvent être réglées en ajustant simplement la taille de la boîte quantique.
Bao a eu l'idée d'utiliser des matériaux de boites quantique dans des spectromètres alors qu'il enquêtait sur leur utilisation dans les cellules solaires et les détecteurs de lumière. «J’ai réalisé que ce matériau possède une propriété tout a fait unique qu'aucun autre matériau ne peut égaler», dit-il, en se référant à des moyens simples de réglage de la réponse optique. Dans cet esprit, il a commencé à enquêter en utilisant un grand nombre de boites quantiques dans un nouveau type de spectromètre. En enregistrant la lumière que les diverses boites absorbent, il devenait possible de déterminer les intensités relatives pour les différentes longueurs d'onde présentes dans le spectre de la lumière incidente.
L'appareil de Bao et Bawendi est constitué d’ un tableau de 195 types de boites quantiques différentes avec des caractéristiques spectrales d'absorption qui couvrent une gamme de longueur d'onde de 300 nm . Les boites quantiques sont constituées de dispersions de colloïdes en solution . Ces mélanges ont ensuite été utilisés pour revêtir en pixels individuels la matrice de la caméra de détection de lumière. Parce que ceci s avère compatible avec la technologie de la caméra existante, Bao dit qu un tel spectromètre pourrait être produit en masse à un coût relativement faible.
Le nouveau spectromètre emploie le "multiplexage" de longueur d'onde , une technique qui a été développée par l'industrie des télécommunications pour permettre à plusieurs signaux différentsd’ être transmis le long de la même fibre optique. Le multiplexage a déjà été utilisé pour la spectroscopie, mais Bao dit que les conceptions précédentes n’étaient pas appropriées pour la fabrication de dispositifs petits, à faible coût et à haute performance. "Avec ces matériaux quantiques colloïdaux vous pouvez le faire», dit-il.
"C’ est la première fois que les gens ont utilisé des boites quantiques dans un spectromètre," ajoute Bao. "
Bao estime que le dispositif pourrait être le début d'une révolution dans l'application pratique de la spectroscopie. Il compare cela à la pléthore d'applications pour la photographie qui a émergé lorsque la technologie a évolué à partir du processus lourd du daguerréotype - avec ses énormes caméras et ses longs temps d'exposition - par rapport aux minuscules caméras numériques d'aujourd'hui.
"Si vous pensez aux caméras des temps anciens , leur utilisation a été très limitée - mais maintenant les caméras ne sont pas seulement utilisées dans les téléphones mobiles, mais aussi pour les endoscopes, ou ajoutées à des pilules pour l'image de la digestion», dit Bao. "Tant que le processus de prise de photos est resté compliqué, ces applications étaient difficiles à imaginer."
Les chercheurs étudient maintenant comment le spectromètre de boites quantiques pourrait être utilisé dans les capteurs et sont également à la recherche des moyens d'optimiser l'architecture de l'appareil.
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MON COMMENTAIRE : Il est enthousiaste ! N ’imaginez pas ces boites quantiques comme des volumes encombrants mais plutôt comme des petits points …J’ajoute qu’une start-up israélienne a développé des prototypes en phase pré-industrielle utilisant les boîtes quantiques (appelées nanodots) à base de composés organiques (des polypeptides d'une taille voisine de 2 nanomètres) …Le procédé a également l'avantage de ne pas nécessiter de terres rares (comme dans la plupart des technologies électroniques actuelles) et d'être beaucoup moins polluant à produire ou recycler…
Cela dit , il est capital de connaitre pour un spectrometre le pouvoir dispersif du système proposé et son pouvoir de résolution ….En outre l’usage d’une prise de vue et son image est bien plus répandu pour Mr TOUTLEMONDE que l’analyse des constituants de la lumière qu’ elle émet ou absorbe ……Et lorsque vous avez le spectre devant vous faut il encore savoir attribuer les raies ou bandes observées …Croyez-moi ce n’est pas une mince affaire !
Reference :nanotechweb
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5 traduction
Graphene coating boosts battery performance
Carbon layers allows silicon nanoparticles to expand and contract without damage
Extra charge: graphene and silicon can increase battery capacity
La capacité d'une batterie à lithium-ion peut être presque doublée en utilisant une anode à base de minuscules nanoparticules de silicium enveloppées dans plusieurs couches de graphene. Des chercheurs de la Corée du Sud - y compris le géant de l'électronique Samsung - ont constaté que le revêtement de graphene augmente la conductivité électrique des particules et les empêche d'être endommagées car leur volume se dilate quand la batterie est chargée. Les scientifiques décrivent leur travail comme "une étape significative" vers le développement de batteries commerciales avec des anodes de silicium.
Omniprésentes dans les appareils électroniques portables, les batteries au lithium-ion rechargeables sont constituées de deux électrodes - anode et la cathode - séparées par un électrolyte. Lorsque la batterie est chargée avec l'énergie électrique, les ions lithium se déplacent de la cathode à travers l'électrolyte jusq’à l'anode, où ils sont absorbés dans la masse du matériau d'anode.
Lorsque la batterie est déchargée, des ions lithium sortent de l'anode et retournent vers la cathode. Cela oblige l'anode d’abord à s’expanser puis à se contracter, ce qui peut endommager l'anode au cours des cycles répétés de charge / décharge. Les anodes en graphite, cependant, sont résistantes à ces dommages, ce qui explique pourquoi ce matériau a été utilisé dans les batteries commerciales pendant trois décennies.
Comme les appareils portables deviennent de plus en plus gourmands en énergie, les chercheurs ont cherché à augmenter la quantité d'énergie qui peut être stockée dans des batteries lithium-ion en développant des anodes en silicium. Outre n'être pas cher et facile à travailler , le silicium peut absorber 10 fois plus d'ions lithium par unité de masse que le graphite. Malheureusement, le volume de silicium augmente par un facteur de quatre quand il absorbe le lithium, ce qui rend les anodes de silicium sujettes à la rupture et à l'échec.
Une façon de contourner ce problème est de constituer l'anode à partir d'une agglomération de minuscules sphères de silicium - chaque diamètre d'environ 100 nm - qui sont plus résistantes à la fissuration. Mais cette approche a aussi ses propres défis. Le silicium est un semi-conducteur et pour qu’une anode soit efficace, elle doit être revêtue d'un conducteur électrique. Ce revêtement doit également rester intact tandis que les nanosphères se dilatent puis se contractent.
RECEMMENT , Mark Rümmeli et ses collègues de l'Institut des sciences de base en Corée, à Samsung et à l'Institut supérieur coréen de la technologie et au Centre de polymères et de carbone des matériaux de l'Académie polonaise des sciences ont imaginé un moyen de recouvrir les nanoparticules de silicium par un manteau avec de multiples couches de graphène. Le graphène est une couche de carbone de l’épaisseur d'un atome qui est à la fois un bon conducteur électrique et un matériau extrêmement solide. Ces deux propriétés se combinent pour rendre les nanoparticules revêtues très bons conductrices et ellesi sont alors en mesure d'augmenter en taille sans dommage pour le revêtement ou pour les nanoparticules.
Un défi important pour Rümmeli et ses collègues était de savoir comment créer un manteau au silicium avec du graphène sans créer simultanément une mince couche de carbure de silicium entre les deux matériaux. En effet, le carbure de silicium est lui un isolant électrique et inhibe également le flux d'ions de lithium. L'équipe a réalisé une croissance exempte de silicium-carbure par chauffage des nanoparticules en présence de méthane et de dioxyde de carbone.
Grace au revêtement de graphène, un échantillon de poudre de nanoparticules présente une conductivité qui est de 100 millions de fois supérieure à un échantillon de poudre de particules non enrobées. L'équipe a ensuite fait des anodes de ces nanoparticules enrobées et les a testés en comparaison avec les batteries lithium-ion standard. Durant le premier cycle de charge-décharge, ils ont constaté que les batteries logeait 1,8 fois plus d'énergie qu'une batterie avec une anode en graphite conventionnel. Après 200 cycles, les batteries étaient encore capables de stocker 1,5 fois plus d'énergie qu'un dispositif classique.
Lorsque l'équipe a jeté un coup d'oeil de plus près à l'aide d’un microscope électronique sur les nanoparticules individuelles, les chercheurs ont constaté que chaque couche de graphène n'a pas réussi à complètement encapsuler une nanoparticule. Cela a permis aux couches de graphène de glisser de travers de sorte que lorsque la nanoparticule a grandi en taille, cela a créé ainsi une enveloppe extensible. Rümmeli dit à physicsworld.com qu'un effet de glissement similaire a été vu dans les nanotubes de carbone à parois multiples - des feuilles de graphène enroulées - qui peuvent s'étendre de manière télescopique.
L'équipe croit aussi que c e glissement découle du "serrage" , d une force intérne qui maintient l'intégrité de la couche de graphène et réduit la fissuration dans les nanoparticules. Les couches incomplètes fournissent également des chemins pour les ions lithium pour se déplacer à travers le revêtement de graphène et atteindre l'anode.
La recherche est décrite dans Nature
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MON COMMENTAIRE . voila typiquement un joli travail de physico chimie experimentale et quasi empirique qui peut deboucher sur une grosse amélioration des batterie s au lithium-ion ….C EST DE LA SCIENCE A BREVETS dirait un politicien cynique !
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