Stel je voor dat je een chemische reactor bouwt die klein genoeg is om nanodeeltjes met een doorsnede van een miljardste meter te bestuderen. Een miljard keer kleiner dan een regendruppel is het volume van een E. coli-cel. En nog een miljoen keer kleiner zou een reactor zijn die klein genoeg is om geïsoleerde nanodeeltjes te bestuderen. Voeg daarbij de uitdaging om niet alleen een van deze kleine reactoren te maken, maar miljarden van hen, allemaal identiek in grootte en vorm. Onderzoekers van Cornell hebben precies dat gedaan.

Een team onder leiding van Tobias Hanrath, universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire engineering, heeft gecontroleerde fusie aangetoond van halfgeleider kwantumstippen in een nanoreactorkooi van roestige deeltjes.

Het team rangschikte zes loodselenidekristallen in een raamwerk van ijzeroxide (roest) bollen. Ze bestudeerden hoe de kwantumstippen in de "roestige kooi" op nanoschaal op elkaar inwerken, met behulp van röntgenstralen bij de Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS). Dankzij deze experimenten konden ze specifieke interacties tussen deeltjes in de doos lokaliseren en zo de weg vrijmaken voor het maken van nieuwe materialen met ontwerpeigenschappen. De resultaten, die kunnen worden toegepast op andere materialen, werden gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , 23 okt.

Ze gebruikten CHESS om röntgenverstrooiing uit te voeren op herhalende eenheden van deze roestige dozen terwijl ze ze opwarmden, kijken wat er gebeurt met de loden selenide in het midden. Met de verstrooiingsgegevens die werken als een high-definition film, ze konden verschillende stadia van fusie van de loodselenidehexameren identificeren. Dit zou kunnen leiden tot inzicht in het verkrijgen van specifieke functionaliteiten uit deze weinig begrepen nanomaterialen. Te veel hitte deed de loodkristallen sinteren en smelten; niet genoeg warmte trok ze niet dicht genoeg bij elkaar om te communiceren.

Afgestudeerd student Ben Treml leidde de experimenten; hij synthetiseerde de deeltjes en assembleerde ze tot superroosters (roosters van nanokristallen, in plaats van atomen). De monsters werden bestudeerd op de D1-bundellijn van CHESS met co-auteur Detlef Smilgies, staf wetenschapper, die Treml hielp de experimenten te verfijnen.

De resultaten werden geverifieerd met theoretische modellering door co-auteurs Paulette Clancy, hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering, en postdoctoraal medewerker Binit Lukose.