(Phys.org) - Serendipiteit bleek een belangrijk ingrediënt te zijn voor de nieuwste nanodeeltjes die zijn ontdekt aan de Rice University. De nieuwe "lava dot"-deeltjes werden per ongeluk ontdekt toen onderzoekers een manier ontdekten om gesmolten druppeltjes metaalzout te gebruiken om holle, gecoate versies van een nanotech-nietje genaamd quantum dots.

De resultaten verschijnen deze week online in het tijdschrift Nanotechnologie . De onderzoekers ontdekten ook dat lavastippen zichzelf in gelijkmatig verdeelde patronen op vlakke oppervlakken rangschikken, Mede dankzij een zachte buitencoating die van vorm kan veranderen wanneer de deeltjes dicht opeengepakt zijn.

"We onderzoeken het potentieel om deze deeltjes te gebruiken als katalysatoren voor de productie van waterstof, als chemische sensoren en als componenten in zonnecellen, maar het belangrijkste punt van dit artikel is hoe we deze materialen maken, " zei co-auteur Michael Wong, hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering aan Rice. "We bedachten deze 'gesmolten-druppelsynthese'-techniek en ontdekten dat we hetzelfde proces kunnen gebruiken om holle nanodeeltjes te maken van verschillende soorten elementen. Het resultaat is dat deze ontdekking gaat over een hele familie van deeltjes in plaats van één specifieke samenstelling."

Net als hun neven en nichten met kwantumdots, De lavastippen van Rice kunnen gemaakt zijn van halfgeleiders zoals cadmiumselenide en zinksulfide.

Wongs lab werkt al meer dan vijf jaar gestaag aan het verbeteren van de synthese van kwantumstippen. In 2007, Het team van Wong ontdekte een schonere en goedkopere manier om vierpotige kwantumstippen te synthetiseren - deeltjes kleiner dan een levende cel die eruitzien als kleine versies van kinderjacks. Deze "nanojacks, " die ook kwantumtetrapoden worden genoemd, kan worden gebruikt om zonlicht te oogsten in een revolutionair nieuw soort zonnepaneel.

De belangrijkste stap in de ontdekking van 2007 was het gebruik van een oppervlakteactieve stof genaamd CTAB. In 2010 probeerde Rice afgestudeerde student Sravani Gullapalli de "nanojack" -synthese nog verder te verfijnen toen ze lavastippen ontdekte.

"Deze nieuwe chemie om de tetrapoden te maken was redelijk goedkoop, maar we zochten een nog goedkopere manier, "zei Wong. "Sravani zei, 'Laten we die dure oppervlakteactieve fosfor van de hand doen en zien wat er gebeurt.' Dus dat deed ze, en deze kleine dingen kwamen gewoon tevoorschijn op het scherm van de elektronenmicroscoop."

Wong herinnerde zich de eerste verrassing van het team. "We zeiden, 'Wat is hier aan de hand? Hoe ga je van vierpotige nanojacks naar deze kleine balletjes?'"

Hij zei dat het team meer dan een jaar nodig had om het ongewone vormingsmechanisme te ontcijferen dat de holte opleverde, deeltjes met zachte schil.

Om de deeltjes te maken, Gullapalli voegde drie soorten vast poeder toe:cadmiumnitraat, selenium en een kleine hoeveelheid CTAB - tot een olie-oplosmiddel. Vervolgens verwarmde ze het mengsel langzaam al roerend. Het cadmiumnitraat smolt eerst en vormde minuscule nanodruppeltjes die met het blote oog niet te zien zijn.

"Er gebeurt niets totdat de temperatuur blijft stijgen en het selenium smelt, " zei Gullapalli. "Het gesmolten selenium wikkelt zich dan rond de cadmiumnitraatdruppel, en het cadmiumnitraat diffundeert naar buiten en laat een gat achter waar de druppel ooit was."

Ze zei dat de cadmiumselenideschil rond het gat nanokristallijn is en is omhuld door een zachte buitenschil van puur selenium.

Toen Gullapalli de lavastippen onderzocht met een transmissie-elektronenmicroscoop, ze ontdekte dat ze groter waren dan standaard kwantumstippen, ongeveer 15-20 nanometer in diameter. De gaten waren ongeveer 4-5 nanometer in diameter. Ze merkte ook iets eigenaardigs op:als ze alleen zaten, leken ze rond, en wanneer stevig verpakt, de schaal leek samengedrukt te worden, ook al kwamen naburige stippen nooit echt in contact met elkaar.

"Dat is een van de wendingen in deze rare chemie, " zei Wong. "Het oplosmiddel vormt tijdens dit proces zijn eigen oppervlakteactieve stof. De oppervlakteactieve stof bedekt de deeltjes en zorgt ervoor dat ze elkaar niet raken, zelfs als ze dicht op elkaar staan."

Wong's team ontdekte later dat het de gesmolten druppelmethode kon gebruiken om lavastippen te maken van zinksulfide, cadmiumsulfide en zinkselenide.

"We ontdekten dat de holle deeltjes sommige prestatiestatistieken van kwantumdots in een zonneceltestapparaat ontmoetten en zelfs overschreden, en we blijven onderzoeken hoe deze nuttig kunnen zijn, ' zei Gullapalli.