Sommige van 's werelds kleinste kristallen staan ​​bekend als 'kunstmatige atomen' omdat ze zichzelf kunnen organiseren in structuren die eruitzien als moleculen, inclusief "superroosters" die potentiële bouwstenen zijn voor nieuwe materialen.

Nu hebben wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Stanford University de eerste waarneming gedaan van deze nanokristallen die snel superroosters vormen terwijl ze zelf nog groeien. Wat ze leren, zal wetenschappers helpen het assemblageproces te verfijnen en aan te passen om nieuwe soorten materialen te maken voor zaken als magnetische opslag, zonnepanelen, opto-elektronica en katalysatoren die chemische reacties versnellen.

De sleutel om het te laten werken was de toevallige ontdekking dat superroosters supersnel kunnen worden gevormd - in seconden in plaats van de gebruikelijke uren of dagen - tijdens de routinematige synthese van nanokristallen. De wetenschappers gebruikten een krachtige bundel röntgenstralen bij SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) om de groei van nanokristallen en de snelle vorming van superroosters in realtime te observeren.

Een paper waarin het onderzoek wordt beschreven, die werd gedaan in samenwerking met wetenschappers van het DOE's Argonne National Laboratory, werd vandaag gepubliceerd in Natuur .

"Het idee is om te zien of we een onafhankelijk inzicht kunnen krijgen in hoe deze superroosters groeien, zodat we ze uniformer kunnen maken en hun eigenschappen kunnen beheersen, " zei Chris Tassone, een stafwetenschapper bij SSRL die het onderzoek leidde met Matteo Cargnello, assistent-professor chemische technologie aan Stanford

Kleine kristallen met buitenmaatse eigenschappen

Wetenschappers maken al sinds de jaren tachtig nanokristallen in het laboratorium. Vanwege hun kleine formaat - ze zijn miljardsten van een meter breed en bevatten slechts 100 tot 10, 000 atomen per stuk - ze worden beheerst door de wetten van de kwantummechanica, en dit geeft ze interessante eigenschappen die kunnen worden veranderd door hun grootte te variëren, vorm en compositie. Bijvoorbeeld, sferische nanokristallen bekend als quantum dots, die zijn gemaakt van halfgeleidende materialen, gloeien in kleuren die afhankelijk zijn van hun grootte; ze worden gebruikt in biologische beeldvorming en het meest recent in high-definition tv-schermen.

In het begin van de jaren negentig, onderzoekers begonnen nanokristallen te gebruiken om superroosters te bouwen, die de geordende structuur van regelmatige kristallen hebben, maar met kleine deeltjes in plaats van individuele atomen. Deze, te, wordt verwacht dat ze ongebruikelijke eigenschappen hebben die meer zijn dan de som van hun delen.

Maar tot nu toe, superroosters zijn langzaam gegroeid bij lage temperaturen, soms binnen enkele dagen.

Dat veranderde in februari 2016, toen Stanford-postdoctoraal onderzoeker Liheng Wu bij toeval ontdekte dat het proces veel sneller kan gaan dan wetenschappers hadden gedacht.

'Er gebeurt iets raars'

Hij probeerde nanokristallen te maken van palladium - een zilverachtig metaal dat wordt gebruikt om chemische reacties in katalysatoren en veel industriële processen te bevorderen - door een oplossing met palladiumatomen te verhitten tot meer dan 230 graden Celsius. Het doel was om te begrijpen hoe deze kleine deeltjes ontstaan, zodat hun grootte en andere eigenschappen gemakkelijker kunnen worden aangepast.

Het team voegde kleine vensters toe aan een reactiekamer ter grootte van een mandarijn, zodat ze er een SSRL-röntgenstraal doorheen konden schijnen en in realtime konden zien wat er gebeurde.

"Het is een beetje zoals koken, " legde Cargnello uit. "De reactiekamer is als een pan. We voegen een oplosmiddel toe, dat is als de frituurolie; de belangrijkste ingrediënten voor de nanokristallen, zoals palladium; en specerijen, wat in dit geval oppervlakteactieve verbindingen zijn die de reactieomstandigheden afstemmen, zodat je de grootte en samenstelling van de deeltjes kunt regelen. Als je alles in de pan hebt gedaan, je verwarmt het en bak je spullen."

De afgestudeerde Wu en Stanford-student Joshua Willis verwachtten het karakteristieke patroon te zien dat wordt gemaakt door röntgenstralen die van de kleine deeltjes worden verstrooid. In plaats daarvan zagen ze een heel ander patroon.

"Dus er gebeurt iets raars, ' sms'ten ze hun adviseur.

Het vreemde was dat de palladium-nanokristallen zich tot superroosters aan het samensmelten waren.

Een balans van krachten

Op dit punt, "De uitdaging was om te begrijpen wat de deeltjes samenbrengt en ze naar elkaar toe trekt, maar niet te sterk, zodat ze ruimte hebben om te wiebelen en zich in een geordende positie te nestelen, " zei Jian Qin, een assistent-professor chemische technologie aan Stanford die theoretische berekeningen uitvoerde om het zelfassemblageproces beter te begrijpen.

Zodra de nanokristallen zich vormen, wat lijkt te gebeuren, is dat ze een soort harige laag van oppervlakteactieve moleculen krijgen. De nanokristallen glommen samen, aangetrokken door zwakke krachten tussen hun kernen, en dan houdt een fijn afgestemde balans van aantrekkende en afstotende krachten tussen de bungelende oppervlakteactieve moleculen ze in precies de juiste configuratie voor het superrooster om te groeien.

Tot verbazing van de wetenschappers, de individuele nanokristallen bleven toen groeien, samen met de superroosters, totdat alle chemische ingrediënten in de oplossing waren opgebruikt, en deze onverwachte extra groei deed het materiaal opzwellen. De onderzoekers zeiden dat ze denken dat dit voorkomt in een breed scala aan nanokristalsystemen, maar was nog nooit gezien omdat er geen manier was om het in realtime te observeren vóór de experimenten van het team bij SSRL.

"Toen we dit systeem eenmaal begrepen, realiseerden we ons dat dit proces algemener kan zijn dan we aanvankelijk dachten, " zei Wu. "We hebben aangetoond dat het niet alleen beperkt is tot metalen, maar het kan ook worden uitgebreid tot halfgeleidende materialen en zeer waarschijnlijk tot een veel grotere reeks materialen."

Het team heeft vervolgexperimenten gedaan om meer te weten te komen over hoe de superroosters groeien en hoe ze de grootte kunnen aanpassen, samenstelling en eigenschappen van het eindproduct.