(Phys.org) —Onderzoekers hebben lang gedacht dat biologische moleculen en synthetische nanokristallen alleen qua grootte vergelijkbaar waren. Nutsvoorzieningen, Chemici van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben ontdekt dat ze reactiviteit kunnen toevoegen aan de lijst met gedeelde eigenschappen. Atomen in een nanokristal kunnen met elkaar samenwerken om binding of omschakeling te vergemakkelijken, een fenomeen dat veel wordt aangetroffen in biologische moleculen.

De bevinding zou de productie van nanokristallen voor slimme sensoren kunnen katalyseren, zonnepanelen, kleine transistors voor optische computers, en medische beeldvorming. Onder leiding van professor chemie Prashant Jain, het team publiceerde zijn bevindingen in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"In geologisch, industriële en huishoudelijke omgevingen, de nanoschaalkorrels van elk materiaal ondergaan chemische overgangen wanneer ze onder reactieve omstandigheden worden geplaatst, "Zei Jain. "Ijzer roest na verloop van tijd en diamantvorming uit koolstof zijn voorbeelden van twee veel voorkomende overgangen. Begrijpen hoe deze overgangen plaatsvinden op de schaal van de kleinste korrels van het materiaal is een belangrijke motivatie van ons werk."

Wetenschappers kunnen dergelijke overgangen benutten om nanokristallen te maken die zich aanpassen aan een bepaalde structuur. Ze kunnen een nanokristal maken van het ene materiaal en dit omzetten in een ander materiaal, in wezen het originele nanokristalraamwerk gebruiken als een sjabloon voor het maken van een nanokristal van het nieuwe materiaal met dezelfde grootte en vorm. Hierdoor kunnen onderzoekers nanokristallen van nieuwe materialen creëren in vormen en structuren die ze anders misschien niet zouden kunnen.

In de nieuwe studie de onderzoekers transformeerden minuscule kristallen van het materiaal cadmiumselenide in kristallen van koperselenide. Koperselenide-nanokristallen hebben een aantal interessante eigenschappen die kunnen worden gebruikt voor het oogsten van zonne-energie, optische computers en laserchirurgie. Transformatie van cadmiumselenide creëert nanokristallen met een zuiverheid die moeilijk te bereiken is met andere methoden.

De onderzoekers, waaronder afgestudeerde student Sarah White, gebruikte geavanceerde microscopie- en spectroscopietechnieken om de dynamiek van de atomen in de kristallen tijdens de transformatie te bepalen en ontdekte dat de transformatie niet als een langzaam diffusieproces plaatsvindt, maar als een snelle omschakeling dankzij coöperativiteit.

De onderzoekers zagen dat zodra het cadmium-selenide nanokristal een paar aanvankelijke koper "zaad" onzuiverheden heeft opgenomen, atomen in de rest van het rooster kunnen samenwerken om de rest van het cadmium snel om te wisselen voor koper. Jain vergelijkt de kristallen met hemoglobine, het molecuul in rode bloedcellen dat zuurstof vervoert. Zodra één zuurstofmolecuul zich aan hemoglobine heeft gebonden, andere bindingsplaatsen binnen hemoglobine veranderen enigszins van conformatie om gemakkelijker meer zuurstof op te nemen. Hij stelt dat op dezelfde manier koperverontreinigingen kunnen een structurele verandering in het nanokristal veroorzaken, waardoor het voor meer koperionen gemakkelijker wordt om het nanokristal in een snelle cascade te infiltreren.

De onderzoekers reproduceerden het experiment met zilver, naast koper, en zag gelijkaardig, hoewel iets minder snel, coöperatief gedrag.

Nutsvoorzieningen, Jain's team gebruikt zijn geavanceerde beeldvorming om overgangen te zien plaatsvinden in enkele nanokristallen, live.

"We hebben een geavanceerde optische microscoop in ons laboratorium, waardoor we nu een enkel nanokristal hebben kunnen vangen tijdens het maken van een overgang, "Zei Jain. "Dit stelt ons in staat om verborgen details te leren over hoe de overgang daadwerkelijk verloopt. We leren ook hoe het ene nanokristal zich anders gedraagt ​​dan het andere."

Volgende, de onderzoekers zijn van plan om biomolecuul-achtige coöperatieve fenomenen in andere solid-state materialen en processen te onderzoeken. Bijvoorbeeld, samenwerking in katalytische processen kan grote gevolgen hebben voor zonne-energie of de productie van dure speciale chemicaliën.

"Op de lange termijn, we zijn geïnteresseerd in het benutten van het coöperatieve gedrag om kunstmatige slimme materialen te ontwerpen die op een schakelaarachtige manier reageren zoals hemoglobine in ons lichaam, ' zei Jaïn.