Een internationaal team onder leiding van Empa en ETH Zürich-onderzoekers speelt met shape-engineered bouwstenen op nanoschaal die tot 100 keer groter zijn dan atomen en ionen. En hoewel deze nano-"Legostenen" met elkaar interageren met krachten die heel anders en veel zwakker zijn dan die welke atomen en ionen bij elkaar houden, ze vormen vanzelf kristallen, waarvan de structuren lijken op die van natuurlijke mineralen. Deze nieuwe megakristallen of superroosters die op de omslag van het laatste nummer van Natuur unieke eigenschappen vertonen, zoals superfluorescentie, en misschien wel een nieuw tijdperk in de materiaalwetenschap inluiden.

Om echt te waarderen wat een team van onderzoekers onder leiding van Maksym Kovalenko en Maryna Bodnarchuk heeft bereikt, het is het beste om met iets alledaags te beginnen:Kristallen van tafelzout (ook bekend als steenzout) zijn bekend bij iedereen die ooit een openlijk saaie lunch heeft moeten opfleuren. Natriumchloride - NaCl in chemische termen - is de naam van de nuttige chemische stof; het bestaat uit positief geladen natriumionen (Na+) en negatief geladen chloride-ionen (Cl-). Je kunt je de ionen voorstellen als kralen die elkaar sterk aantrekken en dicht opeengepakte en stijve kristallen vormen zoals we die in een zoutvaatje kunnen zien.

Veel natuurlijk voorkomende mineralen bestaan ​​uit ionen - positieve metaalionen en negatieve ionen, die zichzelf rangschikken in verschillende kristalstructuren, afhankelijk van hun relatieve grootte. In aanvulling, er zijn structuren zoals diamant en silicium:deze kristallen bestaan ​​maar uit één soort atomen - koolstof in het geval van diamant -, maar, vergelijkbaar met mineralen, de atomen worden ook bij elkaar gehouden door sterke bindingskrachten.

Nieuwe bouwstenen voor een nieuw soort materie

Wat als al deze sterke bindingskrachten tussen atomen zouden kunnen worden geëlimineerd? In het rijk van atomen, met alle kwantummechanica in het spel, dit zou geen molecuul of vaste stof opleveren, tenminste bij omgevingscondities. "Maar de moderne scheikunde kan alternatieve bouwstenen produceren die inderdaad heel andere interacties kunnen hebben dan die tussen atomen, " zegt Maksym Kovalenko, Empa-onderzoeker en hoogleraar scheikunde aan de ETH Zürich. "Ze kunnen zo hard zijn als biljartballen in die zin dat ze elkaar alleen voelen als ze botsen. Of ze kunnen zachter zijn op de oppervlakken, zoals tennisballen. Bovendien, ze kunnen in veel verschillende vormen worden gebouwd:niet alleen bollen, maar ook kubussen of andere veelvlakken, of meer anisotrope entiteiten."

Dergelijke bouwstenen zijn gemaakt van honderden of duizenden atomen en staan ​​bekend als anorganische nanokristallen. Kovalenko's team van chemici bij Empa en ETH is in staat om ze in grote hoeveelheden met een hoge mate van uniformiteit te synthetiseren. Kovalenko en Bodnarchuk, en enkele van hun collega's over de hele wereld, werken al zo'n 20 jaar met dit soort bouwstenen. De wetenschappers noemen ze "Lego-materialen" omdat ze op lange afstand geordende dichte roosters vormen die bekend staan ​​​​als superroosters.

Er werd al lang gespeculeerd dat het mengen van verschillende soorten nanokristallen de engineering van volledig nieuwe supramoleculaire structuren mogelijk zou maken. De elektronische, optische of magnetische eigenschappen van dergelijke samenstellen met meerdere componenten zouden naar verwachting een mengeling zijn van de eigenschappen van de afzonderlijke componenten. In de vroege jaren, het werk was gericht op het mengen van bollen van verschillende groottes, resulterend in tientallen verschillende superroosters met pakkingstructuren die gewone kristalstructuren nabootsen, zoals keukenzout - zij het met kristaleenheidscellen die tien tot 100 keer groter zijn.

Met hun laatste artikel in Natuur , het team onder leiding van Kovalenko en Bodnarchuk slaagde er nu in om de kennis veel verder uit te breiden:ze gingen op zoek naar een mengsel van verschillende vormen - om te beginnen bollen en kubussen. Deze ogenschijnlijk eenvoudige afwijking van de mainstream leidde onmiddellijk tot totaal verschillende waarnemingen. Bovendien, de gekozen kubussen, namelijk colloïdaal cesium loodhalogenide perovskiet nanokristallen, staan ​​bekend als enkele van de helderste lichtstralers die tot nu toe zijn ontwikkeld, sinds hun uitvinding door hetzelfde team zes jaar geleden. De superroosters die de onderzoekers verkregen zijn niet alleen bijzonder qua structuur, maar ook met betrekking tot sommige van hun eigenschappen. Vooral, ze vertonen superfluorescentie - dat wil zeggen, het licht wordt op een collectieve manier bestraald en veel sneller dan dezelfde nanokristallen in hun conventionele staat kunnen bereiken, ingebed in een vloeistof of een poeder.

Entropie als ordenende kracht?

Bij het mengen van bollen en kubussen, er gebeuren wonderlijke dingen:de nanokristallen rangschikken zichzelf om structuren te vormen die bekend zijn uit de wereld van mineralen zoals perovskieten of steenzout. Al deze structuren, echter, zijn 100 keer groter dan hun tegenhangers in conventionele kristallen. Wat meer is:een perovskiet-achtige structuur was nog nooit eerder waargenomen bij de assemblage van dergelijke niet-interagerende nanokristallen.

Bijzonder merkwaardig:deze sterk geordende structuren worden uitsluitend gecreëerd door de kracht van entropie, dat wil zeggen, de voortdurende poging van de natuur om maximale wanorde te veroorzaken. Wat een perfecte grap van de natuur! Deze paradoxale assemblage vindt plaats omdat, tijdens kristalvorming, de deeltjes hebben de neiging om de ruimte om hen heen het meest efficiënt te gebruiken om hun bewegingsvrijheid tijdens de late stadia van oplosmiddelverdamping te maximaliseren, d.w.z. voordat ze "bevroren" zijn in hun uiteindelijke kristalroosterposities. In dit verband, de vorm van de individuele nanokristallen speelt een cruciale rol - zachte perovskiet-kubussen zorgen voor een veel dichtere pakking dan wat haalbaar is in volledig bolvormige mengsels. Dus, de kracht van entropie zorgt ervoor dat de nanokristallen altijd in de dichtst mogelijke pakking worden gerangschikt - zolang ze zo zijn ontworpen dat ze elkaar niet op andere manieren aantrekken of afstoten, zoals elektrostatica.

De dageraad van een nieuwe wetenschap

"We hebben gezien dat we nieuwe constructies kunnen maken met een hoge betrouwbaarheid, ", zegt Maksym Kovalenko. "En dit roept nu veel meer vragen op; we staan ​​nog helemaal aan het begin:welke fysische eigenschappen vertonen zulke zwakverbonden superroosters en wat is de relatie tussen structuur en eigenschap? Kunnen ze worden gebruikt voor bepaalde technische toepassingen, zeggen, in optische kwantumcomputing of in kwantumbeeldvorming? Volgens welke wiskundige wetten vormen ze? Zijn ze echt thermodynamisch stabiel of alleen kinetisch gevangen?" Kovalenko is nu op zoek naar theoretici die misschien kunnen voorspellen wat er nog kan gebeuren.

"Uiteindelijk zullen we compleet nieuwe klassen kristallen ontdekken, " speculeert hij, "degenen, waarvoor geen natuurlijke modellen bestaan. Ze zullen dan moeten worden gemeten, geclassificeerd en beschreven." Na het eerste hoofdstuk in het leerboek voor een nieuw soort scheikunde te hebben geschreven, Kovalenko is meer dan klaar om zijn deel te leveren om dat zo snel mogelijk te laten gebeuren. "We experimenteren nu met schijf- en cilindervormige nanokristallieten. En we zijn erg enthousiast om de nieuwe structuren te zien die ze mogelijk maken, " hij zegt.