(Phys.org) -Het kweken van dunne films uit nanodeeltjes in geordende, kristallijne bladen, om alles te maken, van micro-elektronische componenten tot zonnecellen, zou een zegen zijn voor materiaalonderzoekers, maar de fysica is lastig omdat deeltjes van die grootte geen kristallen vormen zoals individuele atomen dat doen.

Grotere deeltjes als modellen gebruiken, natuurkundigen hebben enkele ongebruikelijke eigenschappen van kristalgroei van nanodeeltjes voorspeld - in het bijzonder, dat sommige deeltjes, vanwege hun afmetingen en de aantrekkingskracht tussen hen, groeien kristallen die smelten als ze worden afgekoeld.

Een onderzoek onder leiding van John Savage, voormalig postdoctoraal medewerker in het lab van Itai Cohen, universitair hoofddocent natuurkunde, toonde aan dat colloïdale kristallen, die ontstaan ​​uit deeltjes die in vloeistof zijn gesuspendeerd, kan dit vreemde fenomeen van koude smelt vertonen. Het onderzoek is op 20 mei online gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences .

Gewoonlijk kweken mensen kristallen van verschillende materialen, zoals de gewone halfgeleider galliumarsenide, als gelaagde vellen van sterk gebonden atomen. Colloïdale kristallen zijn anders; ze vormen wanneer colloïdale deeltjes gesuspendeerd in een vloeistof zichzelf assembleren tot arrays.

Om de colloïden ter grootte van een micron kristallen te laten vormen, de onderzoekers brachten deeltjes ter grootte van nanometers in de vloeistof, die concurreren met de grotere colloïden om ruimte en uiteindelijk de colloïden tegen elkaar duwen, maar alleen als de afstand tussen hen kleiner is dan de nanodeeltjes. Omdat deze aantrekkingskracht het gevolg is van de thermische energie van de nanodeeltjesbewegingen, de bindingen tussen de colloïdale deeltjes zijn ook relatief zwak.

Deze korte, zwakke aantrekkingen tussen deeltjes, in tegenstelling tot sterke atomaire bindingen, verrassend gedrag vertonen. Bijvoorbeeld, Cohen zei, in oplossing kunnen de deeltjes elkaar alleen voelen als ze minder dan een nanodeeltje van elkaar verwijderd zijn. Maar als de colloïdale deeltjes op een substraat van deeltjes rusten, die de afstand tussen hen bepaalt, dan kan het bereik van de interactie dramatisch toenemen.

Ze ontdekten dat de substraatdeeltjes de colloïden lang genoeg losjes gebonden houden zodat ze kunnen verdringen en interactie kunnen hebben met hun buren in het vlak, maar slechts af en toe. Effectief, het lijkt erop dat de deeltjes bindingen vormen met hun buren in het vlak, ook al doen ze dat maar af en toe.

"Hierdoor kunnen buren in het vlak losjes gebonden kristallen vormen waarvan de afstand tussen de deeltjes veel groter is dan wat je zou verwachten, mogelijk was, gezien de korte afstand van de interactie, ' zei Cohen.

Toen ze de temperatuur verlaagden zodat de bindingen tussen deeltjes sterker waren dan hun thermische energie, de deeltjes verdrongen minder. Bijgevolg, ze zaten dieper in de put gevormd door de substraatdeeltjes en hadden minder vaak interactie met hun buren in het vlak.

Het resultaat, Cohen zei, is dat de colloïden niet langer in-plan bindingen konden vormen die het kristal bij elkaar kunnen houden, zodat deeltjes weg kunnen diffunderen en het kristal oplost of smelt. "Het is dit rare effect, "Cohen zei, "waar het kristal smelt bij afkoeling."

Deze resultaten kunnen materiaalonderzoekers helpen om de groei van kristallen samengesteld uit nanodeeltjes - waar vergelijkbare effecten optreden - aan te passen voor nieuwe toepassingen in elektronica of energiematerialen.

De studie, "Entropie-gedreven kristalvorming op sterk gespannen substraten, " werd ondersteund door King Abdullah University of Science and Technology en de National Science Foundation.