Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign en de Northwestern University hebben het mogelijk gemaakt om de zelfassemblage van kristallijne materialen te observeren en te simuleren met een veel hogere resolutie dan voorheen.

Met behulp van computermodellering en een beeldvormingstechniek genaamd vloeistoffase-elektronenmicroscopie, het team lokaliseerde de individuele bewegingen van kleine deeltjes op nanoschaal terwijl ze zich oriënteren in kristalroosters. Het werk bevestigt dat synthetische nanodeeltjes - de fundamentele bouwstenen van veel synthetische en biologische materialen - kunnen assembleren op manieren die veel complexer zijn dan grotere deeltjes, zeiden de onderzoekers, en maakt de weg vrij voor meer algemene toepassingen voor mineralisatie, geneesmiddelen, optica en elektronica.

De nieuwe studie, geleid door Qian Chen, een professor in materiaalkunde en techniek aan de U. of I., en Erik Luijten, een Noordwest-hoogleraar materiaalkunde en engineering en technische wetenschappen en toegepaste wiskunde, wordt gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen .

"Imaging en modellering worden routinematig uitgevoerd voor deeltjes van ongeveer 1 micrometer groot, zei Luijten, die het computermodelleringsgedeelte van het onderzoek leidde. "Hier, we hebben nieuw ontwikkelde technieken die dit kunnen doen voor deeltjes die 100 nanometer groot zijn - 10 keer kleiner dan voorheen."

Omdat nanodeeltjes erg klein zijn en interageren in vloeibare oplossingen, het verifiëren van hun kristallisatieroutes door directe observatie was niet mogelijk vóór elektronenmicroscopie in de vloeistoffase, zei Chen, die het experimentele gedeelte van het onderzoek leidde.

Chen's team voerde laboratoriumexperimenten uit met behulp van kleine gouden prisma's in een vloeistof, nauwlettend toekijkend terwijl de deeltjes met elkaar begonnen te interageren.

"De deeltjes beginnen zich op elkaar te stapelen en vormen kolommen, maar ze doen dit op een verkeerd uitgelijnde manier voordat ze uiteindelijk stevig worden verpakt en kristalliseren tot geordende kristallen, " zei Zihao Ou, een U. of I. afgestudeerde student en co-auteur van de studie.

"Wat we hebben waargenomen, is een tussenliggende amorfe fase die optreedt langs de kristallisatieroute voor nanodeeltjes - iets dat vóór dit werk niet was waargenomen, ' zei Chen.

Echter, er zijn details over kristallisatieroutes die niet kunnen worden gemeten door alleen beeldvorming, aldus de onderzoekers.

"Onze computersimulaties, ontwikkeld door Northwestern University afgestudeerde student Ziwei Wang, ons in staat stellen de details van de fundamentele drijvende krachten achter de beweging en kristallisatie van nanodeeltjes te achterhalen, Luijten. "Het blijkt dat willekeur in de oriëntatie van de deeltjes leidt tot een ander type kristallisatie op grotere lengteschalen. Dat is een idee dat werd gesuggereerd door de experimentele gegevens, maar er waren echt simulaties voor nodig om dit principe te bevestigen."

De onderzoekers zien een breed scala aan toepassingen voor deze ontwikkeling, van het begrijpen hoe eiwitten zichzelf assembleren tot de fysica op nanoschaal achter nieuwe batterijmaterialen, bijvoorbeeld.

"Wetenschappers willen weten hoe ze de synthese van kristallijne materialen kunnen beheersen, zodat ze nieuwe materialen kunnen ontwikkelen, " zei Binbin Luo, een U. of I. afgestudeerde student en co-auteur van de studie. "Begrijpen hoe dit proces precies gebeurt, is essentieel voor die controle."