(Phys.org) — Veel te klein om te zien, nanokristallen - kleine kristallen die minstens 1 zijn 000 keer kleiner dan de diameter van een mensenhaar - vertonen ongekende eigenschappen die wetenschappers en ingenieurs intrigeren. Om deze materialen toe te passen in opkomende nanotechnologieën, wetenschappers moeten hun structuur beter begrijpen, hun overeenkomstige functies en hoe ze samenpakken.

Een samenwerking tussen Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) en materiaalwetenschappers heeft geleid tot een beter begrip van hoe bepaalde nanokristallen er afzonderlijk uitzien en hoe ze in elkaar passen als ze grotere structuren vormen die superkristallen worden genoemd. Dergelijke kennis kan leiden tot effectieve bottom-up engineering van nieuwe materialen voor toepassingen variërend van zonnecellen tot elektronische componenten. Het werk is uitgegeven door Tijdschrift van de American Chemical Society .

De samenwerking maakte gebruik van innovatieve röntgenkristallografiemethoden bij de B1 CHESS-bundellijn onder leiding van CHESS-stafwetenschapper Zhongwu Wang. Het omvatte de gelijktijdige verzameling van gegevens over de ordening en oriëntatie van loodsulfide-nanokristallen en superkristallen met behulp van zowel groothoek- (WAXS) als kleine-hoek (SAXS) röntgenverstrooiing, die meestal één voor één worden gedaan.

Groothoek röntgenverstrooiing wordt gebruikt voor karakterisering op relatief kleinere schaal, onthullende informatie over hoe atomaire vlakken binnen individuele nanokristallen zijn georiënteerd. Verstrooiing onder een kleine hoek gaat een stap verder door gegevens op te leveren over hoe nanokristallen, ongeveer 100 atomen in diameter, ten opzichte van elkaar zijn gerangschikt, wanneer ze samenkomen als een superkristal.

Wang en zijn medewerkers werkten samen met Tobias Hanrath, universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire engineering, die loodsulfide en andere nanokristallen bestudeert voor fotovoltaïsche materialen, om de monsters voor te bereiden en de experimenten uit te voeren.

De nieuwe gecombineerde methode bij CHESS gaf inzicht in de onverwachte complexiteit van de rangschikking van nanokristallen in het superkristal. De ontdekking zou nieuwe methoden kunnen opleveren voor het kweken van superkristallen en hoe ze hun eigenschappen kunnen optimaliseren.

"Je kunt een individueel nanodeeltje zien als een designeratoom, "Zei Hanrath. "We willen uitzoeken hoe je de deeltjes kunt nemen en ze in verschillende configuraties kunt samenvoegen waarin de deeltjes op doelgerichte en programmeerbare manieren kunnen interageren. En we moeten tools gebruiken zoals bij CHESS om naar de feitelijke structuren te kijken, die veel complexer zijn dan wanneer je ze gewoon als bolletjes behandelt."

Wang zei dat de WAXS/SAXS-röntgentechnieken hen en andere wetenschappers zullen helpen begrijpen hoe nanokristallen veranderen, en hoe ze interageren met verschillende oplosmiddelen en in verschillende omgevingen. Hij en andere medewerkers zijn van plan om te kijken naar steeds complexere nanokristallen.

"We zullen in-situ spectroscopische technieken combineren met onze röntgentechnieken om een ​​reeks structuur-eigenschapsrelaties op te bouwen van opgesloten nanokristallen met verschillende groottes, vormen en composities, ' zei Wang.