Een team van wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie en het Carnegie Institution of Washington is erin geslaagd nanodeeltjes in realtime te 'zien'.

De revolutionaire techniek stelt onderzoekers in staat om te leren over de vroege stadia van het genereren van nanodeeltjes, lang een mysterie vanwege ontoereikende meetmethoden, en zou kunnen leiden tot betere prestaties van de nanomaterialen in toepassingen zoals zonnecellen, voelen en meer.

"Nanokristalgroei is de basis van nanotechnologie, " zei hoofdonderzoeker Yugang Sun, een chemicus uit Argonne. "Als we het begrijpen, kunnen wetenschappers nieuwe en fascinerende eigenschappen van nanodeeltjes nauwkeuriger afstemmen."

De manier waarop nanodeeltjes eruitzien en zich gedragen, hangt af van hun architectuur:grootte, vorm, textuur en oppervlaktechemie. Dit, beurtelings, hangt sterk af van de omstandigheden waaronder ze worden gekweekt.

"Nauwkeurige controle van nanodeeltjes is erg moeilijk, Sun legde uit. "Het is nog moeilijker om dezelfde nanodeeltjes van batch tot batch te reproduceren, omdat we nog niet alle voorwaarden voor het recept kennen. Temperatuur, druk, vochtigheid, onzuiverheden - ze beïnvloeden allemaal de groei, en we ontdekken steeds meer factoren."

Om te begrijpen hoe nanodeeltjes groeien, de wetenschappers moesten ze echt op heterdaad zien. Het probleem was dat elektronenmicroscopie, de gebruikelijke methode om in het atomaire niveau van nanodeeltjes te kijken, een vacuüm nodig. Maar veel soorten nanokristallen moeten in een vloeibaar medium groeien - en het vacuüm in een elektronenmicroscoop maakt dit onmogelijk. Met een speciale dunne cel kan een kleine hoeveelheid vloeistof worden geanalyseerd in een elektronenmicroscoop, maar het beperkte de onderzoekers nog steeds tot een vloeistoflaag van slechts 100 nanometer dik, die significant verschilt van de werkelijke omstandigheden voor de synthese van nanodeeltjes.

Om dit raadsel op te lossen, Sun ontdekte dat hij de zeer energierijke röntgenstraling van Sector 1 van Argonne's Advanced Photon Source (APS) moest gebruiken, die grenst aan het Centre for Nanoscale Materials van het laboratorium, waar hij werkt. Dankzij het patroon van röntgenstralen dat door het monster werd verspreid, konden de onderzoekers de vroegste stadia van nanokristallen seconde per seconde reconstrueren.

"Deze techniek levert een schat aan informatie op, vooral op de kiemvorming en groeistappen van de kristallen, die we nooit eerder hadden kunnen krijgen, " zei Zon.

De intensiteit van de röntgenstraling heeft wel invloed op de groei van de nanokristallen, Zon zei, maar de effecten werden pas significant na een bijzonder lange reactietijd. "Door een duidelijk beeld te krijgen van het groeiproces kunnen we monsters controleren om betere resultaten te krijgen, en eventueel, nieuwe nanomaterialen die een breed scala aan toepassingen zullen hebben, ’ legde Zon uit.

De nanomaterialen kunnen worden gebruikt in fotovoltaïsche zonnecellen, chemische en biologische sensoren en zelfs beeldvorming. Bijvoorbeeld, nanoplaten van edelmetaal kunnen bijna-infraroodlicht absorberen, zodat ze kunnen worden gebruikt om het contrast in afbeeldingen te verbeteren. In een mogelijk geval een injectie van speciaal op maat gemaakte nanodeeltjes in de buurt van de tumorplaats van een kankerpatiënt zou het beeldcontrast tussen normale en kankercellen kunnen vergroten, zodat artsen de tumor nauwkeurig in kaart kunnen brengen.

"De sleutel tot deze doorbraak was het unieke vermogen voor ons om samen te werken met wetenschappers van de Advanced Photon Source, het Center for Nanoscale Materials en het Electron Microscopy Center - allemaal op één plek, ' zei Zon.