(PhysOrg.com) -- Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het DOE hebben een universele techniek ontdekt voor het strippen van nanokristallen van kettingachtige moleculen die tot nu toe een obstakel vormden voor hun integratie in apparaten. Deze bevindingen kunnen wetenschappers een schone lei bieden voor het ontwikkelen van nieuwe op nanokristallen gebaseerde technologieën voor energieopslag, fotovoltaïsche, slimme ramen, zonnebrandstoffen en lichtgevende dioden.

Nanokristallen worden meestal bereid in een chemische oplossing met behulp van draderige moleculen, liganden genaamd, die chemisch aan hun oppervlak zijn vastgemaakt. Deze op koolwaterstof gebaseerde of organometaalmoleculen helpen het nanokristal te stabiliseren, maar vormen ook een ongewenste isolerende schil rond de constructie. Efficiënte en schone verwijdering van deze oppervlakteliganden is een uitdaging en is onderzoekers al tientallen jaren ontgaan.

Nutsvoorzieningen, met behulp van Meerwein's zout - een organische verbinding die ook bekend staat onder de naam triethyloxoniumtetrafluoroboraat - heeft een team van Berkeley Lab organische liganden verwijderd die aan nanokristallen waren vastgemaakt, het blootstellen van een kaal oppervlak waardoor nanokristallen kunnen worden gebruikt in een verscheidenheid aan toepassingen.

“Met onze techniek kun je in principe alle nanokristallen – metaaloxiden, metalen, halfgeleiders - en deze om te zetten in dispersies van ligandvrije nanokristalinkt voor spin- of spraycoating en zelfs patroonvorming met een inkjetprinter, " zegt Brett Helms, een stafwetenschapper in de Organic and Macromolecular Synthesis Facility in de Molecular Foundry van Berkeley Lab, een onderzoekscentrum voor nanowetenschappen. “Wat meer is, ze behouden hun structurele integriteit en vertonen efficiëntere transporteigenschappen in apparaten.”

Veel nanokristallen die belangrijk zijn voor energieapparaten zijn niet bestand tegen sterke zuren of oxidatiemiddelen die doorgaans worden gebruikt om organische liganden te strippen - deze nanokristallen lossen eenvoudig op. In dit onderzoek, Helms en collega's onderzochten atomaire details van de interactie tussen een loodselenide nanokristal - een halfgeleidermateriaal - en liganden die het oppervlak omringen. Het team gebruikte vervolgens chemische reagentia op basis van Meerwein's zout om chemisch te reageren met nanokristallen om deze coördinerende liganden niet in staat te stellen zich opnieuw aan het oppervlak te binden. het creëren van ‘naakte’ nanokristallen in oplossing of als een dunne film op een drager. Deze techniek, Helms zegt, bleek buitengewoon algemeen te zijn.

"Ons team heeft een algemene methode ontwikkeld om liganden op een nanokristal te verwijderen om "kale" nanokristaloppervlakken te verkrijgen, ” zegt Evelyn Rosen, een postdoctoraal onderzoeker die samenwerkt met Helms. “Deze kale nanokristallen kunnen zelf unieke eigenschappen hebben, maar maken ook de toevoeging van nieuwe liganden aan dit kale oppervlak mogelijk, zoals gewenst voor sommige soorten nanokristallen. Het meest significant, deze techniek moet het nut van nanokristallen vergroten door meer controle te geven over de optimalisatie van hun eigenschappen.”

Om aan te tonen dat de nanokristallen echt van hun liganden zijn ontdaan, het team karakteriseerde dunne films van met ligand gecoate en kale loodselenide nanokristallen met een nieuwe techniek genaamd infraroodspectroscopie op nanoschaal, of nano-IR. Bij deze techniek, infrarood licht dat door de films wordt geabsorbeerd, wordt gebruikt om excitaties van specifieke moleculaire trillingen te analyseren, zoals de koolstof-waterstofbindingen gevormd door liganden. Met behulp van nano-IR, de onderzoekers ontdekten dat nanokristallen uniform kaal waren over macroscopische afstanden, wat leidt tot een toename van de elektronische geleidbaarheid met verschillende ordes van grootte in vergelijking met ongestripte nanokristalfilms.

“Deze methode is echt universeel toepasbaar en maakt het mogelijk om nanokristallen in een breed scala aan toepassingen en in verschillende omgevingen te gebruiken, " zegt Delia Milliron, Directeur van de Inorganic Nanostructures Facility bij de Foundry en een co-auteur van deze studie.

Inderdaad, Milliron voegt eraan toe, verschillende Foundry-gebruikers maken al gebruik van deze nanokristallen voor projecten op het gebied van energieopslag en supercondensatormaterialen, die energie opslaan zoals batterijen, maar sneller kunnen worden opgeladen.

"Met een robuuste maar eenvoudige procedure om 'geactiveerde' nanokristallen uit oplossing over grote gebieden te verwerken, in overeenstemming met de eisen van een productieproces, is een belangrijke eerste stap om deze opwindende nieuwe materialen te integreren in energiegerelateerde apparaten van de volgende generatie, ’ voegt Helms toe. “We gebruiken dit proces breed in ons onderzoek en moedigen potentiële medewerkers aan om gebruikersvoorstellen in te dienen bij de Molecular Foundry, ”

Rosen is de hoofdauteur en Helms de corresponderende auteur van een artikel dat dit onderzoek in het tijdschrift rapporteert Internationale editie van Angewandte Chemie . Het artikel is getiteld "Uitzonderlijk mild reactief strippen van natuurlijke liganden van nanokristaloppervlakken met behulp van Meerwein's zout." Co-auteur van het artikel met Rosen, Helms en Milliron waren Raffaella Buonsanti, Anna Llordes en April Sawvel.