Materiaalwetenschappers verwachten dat de nieuwe multifunctionele eigenschappen van hybride nanostructuren de ontwikkeling van hoogwaardige apparaten zullen transformeren, inclusief batterijen, hooggevoelige sensoren en zonnecellen. Deze zelfassemblerende nanostructuren worden meestal gegenereerd door ultrakleine objecten met verschillende eigenschappen op de oppervlakken van kleine halfgeleidende draden te deponeren. Echter, de factoren die hun vorming bepalen, blijven ongrijpbaar, waardoor deze structuren moeilijk te controleren en te ontwerpen zijn.

Om deze leemte op te vullen, Bharathi Srinivasan en medewerkers van het A*STAR Institute of High Performance Computing hebben een computationele benadering ontwikkeld die licht werpt op de zelfassemblage van deze nanostructuren op meerzijdige, of veelhoekig, nanodraden. Ze identificeerden eerst hoe verschillende nanostructuurpatronen groeien op nanodraden door energieberekeningen uit te voeren in een theoretische analyse voordat ze deze patronen analyseerden door numerieke simulaties uit te voeren.

Het team van Srinivasan ontwierp twee- en driedimensionale (2D en 3D) modellen van nanodraden met een vierkant, zeshoekige of achthoekige kern omgeven door verschillende schaalconfiguraties. Analyse van de energieprofielen van deze configuraties toonde aan dat de onderzoekers de schaalmorfologie konden beheersen door de kerngrootte te veranderen. De theoretische analyse onthulde ook de overgangen tussen deze verschillende configuraties - een waardevol inzicht in het zelfassemblagemechanisme.

Voor de numerieke simulatie, de onderzoekers construeerden een 'phase-field'-model, die wiskundig de faseovergangen van het schaalmateriaal definieerde. Hierdoor konden ze het zelfassemblageproces van de nanostructuren op de nanodraden simuleren nadat ze het 'zaad' hadden afgezet in de vorm van 'quantum dots', die miniatuur halfgeleiders zijn. De vergelijkingen die in de simulatie worden gebruikt, beschrijven zowel de thermodynamica als de kinetiek van zelfassemblage, Srinivasan-aantekeningen.

Zowel de 2D- als de 3D-simulaties toonden aan dat de afgezette schelpen morfologische transformaties ondergingen die de energieberekeningen weerspiegelden. In de initiële afzettingsfase - het laagste maatbereik - bestonden de schalen uit perfecte cilinders in het 2D-model, en ze vormden ultrakleine ringen, of 'nanoringen', gestapeld in de verticale richting van de nanodraad, in het 3D-model.

Naarmate de kern groter werd, de 2D-modellen gaven aan dat de schelpen in kleinere draden konden breken. Voor de middelgrote kernen, elke draad zat aan de zijkanten van de kern. Voor de grootste kernen, ze zaten op de hoeken. In de 3D-simulaties de nanoringen verdeelden zich in kwantumstippen die materialiseerden in kolommen op de nanodraadfacetten en migreerden naar de richels bij verdere groei (zie afbeelding). Simulaties van warmtebehandeling leverden dezelfde configuraties op als die tijdens de groei.

"Ons toekomstige werk [zal] zijn om de groei van verschillende hybride nanostructuren te begrijpen, inclusief kwantumstippen op schelpen, nanoringen en andere kwantumdots, ", zegt Srinivasan.