(Phys.org) - Drie professoren in de chemie van de Universiteit van Chicago hopen dat hun afzonderlijke onderzoekstrajecten zullen samenkomen om een ​​nieuwe manier te creëren om wat zij 'designeratomen' noemen, te assembleren tot materialen met een breed scala aan potentieel bruikbare eigenschappen en functies.

Deze 'designeratomen' zouden nanokristallen zijn - kristallijne arrays van atomen die bedoeld zijn om te worden gemanipuleerd op manieren die verder gaan dan het standaardgebruik van atomen in het periodiek systeem. Dergelijke arrays zouden geschikt zijn om uitdagingen op het gebied van zonne-energie aan te pakken, kwantumcomputers en functionele materialen.

De partners in het project zijn Prof. David Mazziotti, en universitair hoofddocenten Greg Engel en Dmitri Talapin. Alle drie hebben belangrijke vorderingen gemaakt die van cruciaal belang zijn om het project vooruit te helpen. Nutsvoorzieningen, met $ 1 miljoen aan financiering van de W. M. Keck Foundation, ze kunnen op hun afzonderlijke vorderingen op een gecoördineerde manier voortbouwen op een nieuw doel.

"Als je kijkt naar de geschiedenis van de wetenschap, een grote ontwikkeling begint met mensen met verschillende achtergronden die met elkaar praten en van elkaar leren en iets echt revolutionairs doen in plaats van incrementeel, ' zei Talapin.

De ontwikkelingen in het laboratorium van Talapin vormen de kern van het project. Een synthetische anorganische chemicus, hij is gespecialiseerd in het creëren van nauwkeurig geconstrueerde nanokristallen met goed gedefinieerde kenmerken.

Nanokristallen bestaan ​​uit honderden of duizenden atomen. Dit is klein genoeg om nieuwe kwantumverschijnselen te laten ontstaan, maar groot genoeg om handige "modules" te bieden voor het ontwerpen van nieuwe materialen. "Het is een interessante combinatie omdat je materialen bouwt die niet van individuele atomen zijn, maar van de eenheden die in veel opzichten op atomen lijken maar zich ook als metaal gedragen, halfgeleider of magneet. Het is een beetje gek, ' zei Talapin.

Het potentieel van de nieuwe regelingen kan dat van bestaande elementen overtreffen. Chemici kunnen de eigenschappen van waterstof of helium niet afstemmen, bijvoorbeeld, maar ze kunnen de eigenschappen van nanokristallen afstemmen.

"Je bouwt chemie op uit atomen, en kwantummechanica biedt principes om dat te doen, " zei Mazziotti, verwijzend naar de wetten van de fysica die de wereld domineren op ultrakleine schaal. "Op dezelfde manier, we zien enorme kansen in termen van het nemen van nanokristallijne arrays en nanokristallen als bouwstenen voor nieuwe structuren waar we ze samenvoegen tot sterk gecorreleerde systemen."

Nanokristallijne bouwstenen

De essentie van sterke correlatie, van chemische bindingen, scheikunde in het algemeen, is de verbindingen tussen deeltjes en hoe eigenschappen van deze deeltjes veranderen als ze aan elkaar binden, Engel merkte op. "Het gaat over nieuwe opkomende eigenschappen die voortkomen uit sterke vermenging tussen de elektronische toestanden van deeltjes, op dezelfde manier waarop twee atomen samenkomen om een ​​molecuul te maken, " hij zei.

Waterstof- en zuurstofgassen hebben zeer verschillende eigenschappen. Maar als twee waterstofatomen elektronen delen met een zuurstofatoom, ze vormen water. De ambitie van het UChicago-trio is om dit raamwerk uit te breiden van het niveau van individuele atomen tot het niveau van kleine, functionele objecten, zoals metalen of magnetische halfgeleiders.

De sleutel tot hun project is het controleren van de mate van correlatie tussen elektronen op verschillende nanokristallen. In 2009, Talapin en zijn medewerkers ontwikkelden een manier om de bewegingen van elektronen te controleren terwijl ze van het ene nanokristal naar het andere gaan. Hun "elektronische lijm" stelt halfgeleider-nanokristallen in staat om hun elektrische ladingen efficiënt naar elkaar over te dragen, een belangrijke stap in de synthese van nieuwe materialen.

"Die lijm wordt geleverd door een speciale afstemming van het gedrag van de elektronen, "Zei Mazziotti. "Je wilt dat de bewegingen van de elektronen op een speciale manier worden gecorreleerd om de efficiënte overdracht van die energie van het ene nanokristal naar het andere mogelijk te maken."

Het verkrijgen van meer controle over gecorreleerde elektronen - die waarvan de bewegingen aan elkaar zijn gekoppeld - op verschillende nanokristallen is de sleutel tot succes in het Keck-project.

“Als we dat kunnen verbeteren, dan kunnen we in wezen een heel palet van nieuwe materialen ontwikkelen dat in wezen voortkomt uit het gebruik van de nanokristallen als bouwstenen en een sterke correlatie als een manier van afstemmen, eigenlijk, de mate waarin of hoe ze met elkaar praten, " Zei Mazziotti. "We willen een echt efficiënte overdracht van energie en informatie tussen de verschillende eenheden. Eerder op het gebied van nanokristallijne arrays, de nanokristallen communiceerden slechts zeer zwak met elkaar."

Een nieuw palet ontwikkelen

Mazziotti en Engel brengen theoretische en spectroscopische vooruitgang, respectievelijk, aan de samenwerking. Mazziotti's vooruitgang biedt een alternatief voor traditionele benaderingen voor het berekenen van sterk gecorreleerde elektronen in moleculen, die exponentieel schalen met het aantal elektronen. Hij heeft een al lang bestaand probleem opgelost dat berekeningen mogelijk maakt met slechts twee elektronen van een molecuul, wat de rekenkosten drastisch verlaagt.

Zijn onderzoek naar bioluminescentie van vuurvliegjes en andere fenomenen heeft aangetoond dat naarmate moleculaire systemen groter worden, sterke correlaties tussen elektronen worden krachtiger en openen nieuwe mogelijkheden voor opkomend gedrag. In de context van een halfgeleidend materiaal zoals silicium, opkomend gedrag is hoe individuele nanodeeltjes effectief hun identiteit verliezen, waardoor collectieve eigenschappen in nieuwe materialen ontstaan.

"Naarmate de grootte van een moleculair systeem toeneemt, we zien de opkomst van nieuw natuurkundig gedrag en het belang van sterke correlatie van elektronen, " zei Mazziotti. "Het belang van een sterke correlatie neemt dramatisch toe met de systeemgrootte."

De vooruitgang in Engel's onderzoeksgroep was de ontwikkeling van een techniek genaamd GRadient-Assisted Photon Echo (GRAPE) spectroscopie, die ideeën ontleent aan magnetische resonantiebeeldvorming, maar wordt gebruikt voor spectroscopie in plaats van medische beeldvorming. Engel heeft GRAPE al gebruikt om de gecorreleerde beweging en koppeling tussen chromoforen te observeren, dat zijn lichtabsorberende moleculen. Nu gaat hij de techniek toepassen op nanokristallen.

"Dit, Voor de eerste keer, zal ons echt de directe aard laten zien van de elektronische koppeling die de kern vormt van dit idee van nieuwe bindingsconcepten in designer-atomen, "Zei Engel. "We zullen het experimentele bewijs kunnen leveren dat de theorie die David ontwikkelt zal combineren met de nieuwe structuren die Dmitri aan het bouwen is."