Bij de groei van kristallen, werken nanodeeltjes als "kunstmatige atomen" die moleculaire bouwstenen vormen die kunnen worden samengevoegd tot complexe structuren? Dit is de stelling van een belangrijke maar controversiële theorie om de groei van nanokristallen te verklaren. Een onderzoek door onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het DOE kan de controverse oplossen en de weg wijzen naar energieapparaten van de toekomst.

Onder leiding van Haimei Zheng, een stafwetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, de onderzoekers gebruikten een combinatie van transmissie-elektronenmicroscopie en geavanceerde technieken voor het hanteren van vloeibare cellen om realtime observaties uit te voeren van de groei van nanostaafjes uit nanodeeltjes van platina en ijzer. Hun waarnemingen ondersteunen de theorie van nanodeeltjes die zich gedragen als kunstmatige atomen tijdens kristalgroei.

"We hebben waargenomen dat wanneer nanodeeltjes gehecht raken, ze in eerste instantie kronkelende polykristallijne ketens vormen, " Zegt Zheng. "Deze ketens worden uiteindelijk uitgelijnd en hechten end-to-end om nanodraden te vormen die rechttrekken en uitrekken tot monokristallijne nanostaafjes met een lengte-tot-dikteverhouding tot 40:1. Dit groeiproces van nanokristallen, waarbij zowel nanodeeltjesketens als nanodeeltjes dienen als de fundamentele bouwstenen voor nanostaafjes, is zowel slim als efficiënt."

Zheng is de corresponderende auteur van een paper waarin dit onderzoek in het tijdschrift wordt beschreven Wetenschap . Het artikel is getiteld "Real-Time Imaging of Pt3Fe Nanorod Growth in Solution." Co-auteurs zijn Hong-Gang Liao, Likun Cui en Stephen Whitelam.

Als we het bijna onbegrensde potentieel van nanotechnologie willen benaderen, wetenschappers zullen een veel beter begrip nodig hebben van hoe deeltjes van nanogrootte zich kunnen assembleren tot hiërarchische structuren met een steeds grotere organisatie en complexiteit. Dergelijk begrip komt voort uit het volgen van groeitrajecten van nanodeeltjes en het bepalen van de krachten die deze trajecten begeleiden.

Door het gebruik van transmissie-elektronenmicroscopie en vloeibare observatiecellen, wetenschappers van Berkeley Lab en elders hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het observeren van groeitrajecten van nanodeeltjes, inclusief de georiënteerde aanhechting van nanodeeltjes - het chemische fenomeen dat de groei van nanokristallen in oplossing in gang zet. Echter, deze waarnemingen zijn typisch beperkt tot de eerste paar minuten van kristalgroei. In hun studie hebben Zheng en haar collega's konden de observatietijd verlengen van minuten tot uren.

"De sleutel tot het bestuderen van de groei van colloïdale nanokristallen met verschillende vormen en architecturen is om de vloeistof lang genoeg in het kijkvenster te houden om volledige reacties mogelijk te maken, " zegt Zheng. "We losten moleculaire voorlopers van platina en ijzer op in een organisch oplosmiddel en gebruikten capillaire druk om de groeioplossing in een vloeibare siliciumnitridecel te trekken die we met epoxy afdichten. De afdichting van de cel was vooral belangrijk omdat het hielp voorkomen dat de vloeistof na verloop van tijd viskeus werd. Eerder, we zouden vaak zien dat de vloeistoffen stroperig worden en dit zou de interacties van nanodeeltjes die kristalgroei stimuleren, voorkomen."

Zheng en haar collega's kozen ervoor om de groei van platina-ijzer-nanostaafjes te bestuderen vanwege het veelbelovende potentieel van het elektrokatalytische materiaal voor gebruik in apparaten voor energieconversie en opslag van de volgende generatie. Ze waren in staat om deze nanodeeltjes te observeren tot nanostaafkristallen met behulp van krachtige transmissie-elektronenmicroscopen in het National Center for Electron Microscopy van Berkeley Lab, inclusief TEAM 0.5 (Transmission Electron Aberration-gecorrigeerde Microscoop), die beelden kan produceren met een resolutie van halve angstrom - minder dan de diameter van een enkel waterstofatoom.

"Van wat we hebben waargenomen, bestaan ​​​​er slechts enkele nanodeeltjes aan het begin van kristalgroei, maar, naarmate de groei vordert, kleine ketens van nanodeeltjes worden dominant totdat, uiteindelijk, alleen lange ketens van nanodeeltjes zijn te zien, " zegt Zheng. "Onze waarnemingen leggen een verband tussen de wereld van afzonderlijke moleculen en hiërarchische nanostructuren, de weg vrijmaken voor het rationele ontwerp van nanomaterialen met gecontroleerde eigenschappen."