Nauwkeurige ordening in tweedimensionale (2-D) en driedimensionale (3-D) superroosters gevormd door de zelfassemblage van individuele nanokristallen (NC's) zorgt voor controle van de magnetische, optisch, en elektronische koppeling tussen de afzonderlijke NC's. Deze controle kan leiden tot nuttige collectieve eigenschappen zoals trillingscoherentie, omkeerbare overgangen van metaal naar isolator, verbeterde geleidbaarheid, spin-afhankelijk elektronentransport, versterkt ferro- en ferrimagnetisme, afstembaar magnetotransport, en efficiënt ladingtransport. Deze eigenschappen hebben veel potentiële toepassingen in zonnecellen, veldeffecttransistoren, lichtgevende apparaten, fotodetectoren, en fotogeleiders.

Door de nauwkeurige positionering van de NC's binnen een 3D-superrooster, dergelijke systemen worden vaak "superkristallen" (SC's) genoemd, naar analogie met kristallen die zijn opgebouwd uit atomen. Maar in tegenstelling tot de atomaire kristallen, SC's bieden de flexibiliteit om de afstand tussen de deeltjes af te stemmen vanwege de aanwezigheid van de "zachte" schaal van organische liganden die kunnen worden gebruikt om collectieve eigenschappen in dergelijke structuren te regelen. Structurele stabiliteit en samendrukbaarheid zijn fundamentele kenmerken van elk 3D-systeem.

Een team van onderzoekers van het Argonne National Laboratory Centre for Nanoscale Materials, de afdeling X-ray Science bij de Argonne Advanced Photon Source (APS), GeoSoilEnviroCARS van de Universiteit van Chicago, die Sector 13 exploiteert bij het APS, en Northwestern University hebben gerapporteerd over de eerste gecombineerde quasi-hydrostatische, hoge druk, kleine-hoek röntgenverstrooiing (SAXS) en micro röntgendiffractie (XRD) studies op individuele gefacetteerde, 3D-superkristallen zelf samengesteld uit colloïdale 7,0-nm PbS-nanokristallen. Door de SAXS- en XRD-technieken te combineren, was een nauwkeurige evaluatie van de interdeeltjesafstand tijdens de drukcycli mogelijk, aangezien rekening werd gehouden met de volumeverandering van de individuele NC's. Neon werd gebruikt als een drukoverdragend medium om de mogelijkheid van uitloging van organische liganden van het oppervlak van de NC's en het verlies van de structurele integriteit van de SC's door sinteren te voorkomen. Diamond aambeeld cel (DAC) SAXS experimenten in het drukbereik van ambient tot 12,5 GPa, uitgevoerd bij X-ray Science Division x-ray beamline 12-ID-C bij de APS, onthulde bijna perfecte structurele stabiliteit van de SC's, met fcc organisatie van de NC's. De XRD-experimenten, die zijn uitgevoerd bij GeoSoilEnviroCARS x-ray beamline 13-ID-D bij het APS, toonde aan dat NC's een sterke voorkeursoriëntatie hebben van individuele NC's in SC's tot ~ 55 GPa die behouden blijven tijdens drukcycli.

De mechanische eigenschappen van de afzonderlijke NC's, hun SC's, en de ligandmatrix werden geanalyseerd met behulp van de toestandsvergelijking afgeleid van de compressiegegevens geproduceerd door SAXS en XRD. De bulkmodulus van de omgevingsdruk van de SC's werd berekend als ~ 5 GPa tijdens compressie en ~ 14.5 GPa tijdens de releasecyclus, respectievelijk. NC's bleken eerste-orde faseovergang te ondergaan boven 8 GPa, en de transformatie verloopt via een enkele nucleatiegebeurtenis (binnen een drukbereik van 8,1-9,2 GPa) tijdens de eerste overgang, en heterogene kiemvorming tijdens de tweede transformatie van de tussenfase (die nog niet is geïdentificeerd) naar CsCl-structuur. Een bulkmodulus voor de ligandmatrix van ~ 2,2-2,95 GPa is een orde van grootte groter dan die waargenomen bij nano-indentatiestudie.

De hoge structurele stabiliteit van de SC's en het vermogen om de interdeeltjesafstand af te stemmen lijken de belofte te bieden van verdere manipulatie van de collectieve eigenschappen van zelfgeorganiseerde kunstmatige vaste stoffen, inclusief de structuren die bestonden uit NC's die bij hoge druk in een andere fase werden getransformeerd. De combinatie van hogedruk XRD en SAXS biedt unieke mogelijkheden om directe informatie te verkrijgen over de mechanische eigenschappen van individuele bouwstenen en hun hiërarchische architecturen.