Een team van onderzoekers heeft een grote doorbraak bereikt in het meten van de structuur van nanomaterialen onder extreem hoge druk. Voor de eerste keer, ze ontwikkelden een manier om de ernstige vervormingen van hoogenergetische röntgenstralen te omzeilen die worden gebruikt om de structuur van een gouden nanokristal in beeld te brengen. De techniek, beschreven op 9 april 2013, probleem van Natuurcommunicatie , zou kunnen leiden tot vooruitgang van nieuwe nanomaterialen die onder hoge druk zijn gemaakt en tot een beter begrip van wat er in het binnenste van planeten gebeurt.

Hoofdauteur van de studie, Wenge Yang van het High Pressure Synergetic Consortium van de Carnegie Institution legt uit:"De enige manier om te zien wat er met dergelijke monsters gebeurt wanneer ze onder druk staan, is door gebruik te maken van hoogenergetische röntgenstralen geproduceerd door synchrotronbronnen. Synchrotrons kunnen zeer coherente röntgenstralen leveren voor geavanceerde 3D-beeldvorming met een resolutie van tientallen nanometers. Dit verschilt van onsamenhangende röntgenbeeldvorming die wordt gebruikt voor medisch onderzoek met een ruimtelijke resolutie van micron. De hoge drukken veranderen fundamenteel veel eigenschappen van het materiaal."

Het team ontdekte dat door het gemiddelde te nemen van de patronen van de gebogen golven - de diffractiepatronen - van hetzelfde kristal met behulp van verschillende monsteruitlijningen in de instrumentatie, en door een algoritme te gebruiken dat is ontwikkeld door onderzoekers van het London Centre for Nanotechnology, ze kunnen de vervorming compenseren en de ruimtelijke resolutie met twee ordes van grootte verbeteren.

"Het probleem van golfvervorming is analoog aan het voorschrijven van een bril voor de diamanten aambeeldcel om het zicht van het coherente röntgenbeeldvormingssysteem te corrigeren, " merkte Ian Robinson op, leider van het Londense team.

De onderzoekers onderwierpen een 400 nanometer (.000015 inch) eenkristal van goud aan drukken van ongeveer 8, 000 keer de druk op zeeniveau tot 64, 000 keer die druk, dat gaat over de druk in de bovenmantel van de aarde, de laag tussen de buitenste kern en de korst.

Het team voerde het beeldvormingsexperiment uit bij de Advanced Photon Source, Argonne Nationaal Laboratorium. Ze comprimeerden het gouden nanokristal en vonden eerst, zoals verwacht, dat de randen van het kristal scherp en gespannen worden. Maar tot hun volledige verbazing, de spanningen verdwenen bij verdere compressie. Het kristal ontwikkelde een meer afgeronde vorm bij de hoogste druk, wat een ongewone plastic-achtige stroom impliceert.

"Nanogouddeeltjes zijn zeer nuttige materialen, " merkte Yang op. "Ze zijn ongeveer 60% stijver in vergelijking met andere micron-sized deeltjes en zouden cruciaal kunnen zijn voor het construeren van verbeterde moleculaire elektroden, coatings op nanoschaal, en andere geavanceerde technische materialen. De nieuwe techniek zal van cruciaal belang zijn voor vooruitgang op deze gebieden."

"Nu het vervormingsprobleem is opgelost, het hele veld van nanokristalstructuren onder druk toegankelijk is, "zei Robinson. "Het wetenschappelijke mysterie waarom nanokristallen onder druk op de een of andere manier tot 60% sterker zijn dan bulkmateriaal, kan binnenkort worden ontrafeld."