Onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy zagen halfgeleiderkristallen op nanoschaal uitzetten en krimpen als reactie op krachtige pulsen van laserlicht. Deze ultrasnelle "ademhaling" biedt nieuw inzicht in hoe zulke kleine structuren van vorm veranderen als ze beginnen te smelten - informatie die onderzoekers kan helpen bij het afstemmen van hun gebruik op een reeks toepassingen.

In het experiment met SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, onderzoekers stelden de nanokristallen eerst bloot aan een uitbarsting van laserlicht, op de voet gevolgd door een ultraheldere röntgenpuls die de resulterende structurele veranderingen in detail op atomaire schaal registreerde bij het begin van het smelten.

"Dit is de eerste keer dat we de details kunnen meten van hoe deze ultrakleine materialen reageren wanneer ze tot het uiterste worden belast, " zei Aaron Lindenberg, een assistent-professor bij SLAC en Stanford die het experiment leidde. De resultaten zijn op 12 maart gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Kennismaken met Quantum Dots

De kristallen die bij SLAC zijn bestudeerd, staan ​​​​bekend als "quantum dots" omdat ze op nanoschaal unieke eigenschappen vertonen die de klassieke fysica tarten die hun eigenschappen op grotere schaal beheersen. De kristallen kunnen worden afgestemd door hun grootte en vorm te veranderen om specifieke kleuren licht uit te stralen, bijvoorbeeld.

Daarom hebben wetenschappers gewerkt om ze op te nemen in zonnepanelen om ze efficiënter te maken en in computerschermen om de resolutie te verbeteren terwijl ze minder batterijvermogen verbruiken. Deze materialen zijn ook onderzocht voor mogelijk gebruik in batterijen en brandstofcellen en voor gerichte medicijnafgifte.

Wetenschappers hebben ook ontdekt dat deze en andere nanomaterialen, die slechts tientallen of honderden atomen kan bevatten, kunnen veel beter bestand zijn tegen beschadigingen dan grotere stukjes van hetzelfde materiaal, omdat ze op de kleinste schaal een perfectere kristalstructuur vertonen. Deze eigenschap kan nuttig zijn in batterijcomponenten, bijvoorbeeld, omdat kleinere deeltjes mogelijk meer laadcycli kunnen weerstaan ​​dan grotere voordat ze worden afgebroken.

Een verrassing in de 'ademhaling' van kleine bolletjes en nanodraden

In het LCLS-experiment, onderzoekers bestudeerden bollen en nanodraden gemaakt van cadmiumsulfide en cadmiumselenide die slechts 3 tot 5 nanometer waren, of miljardsten van een meter, aan de overkant. De nanodraden waren tot 25 nanometer lang. Ter vergelijking, aminozuren – de bouwstenen van eiwitten – zijn ongeveer 1 nanometer lang, en individuele atomen worden gemeten in tienden van nanometers.

Door de nanokristallen vanuit veel verschillende hoeken te onderzoeken met röntgenpulsen, onderzoekers reconstrueerden hoe ze van vorm veranderen wanneer ze worden geraakt met een optische laserpuls. Ze waren verrast om te zien dat de bollen en nanodraden met ongeveer 1 procent in de breedte uitzetten en vervolgens snel samentrekken binnen femtoseconden, of quadriljoensten van een seconde. Ze ontdekten ook dat de nanodraden niet uitzetten in lengte, en toonde aan dat de manier waarop de kristallen reageren op spanning was gekoppeld aan hoe hun structuur smelt.

In een eerdere, aparte studie, een ander team van onderzoekers had LCLS gebruikt om de reactie van grotere gouddeeltjes op langere tijdschalen te onderzoeken.

"In de toekomst, we willen deze experimenten uitbreiden naar meer complexe en technologisch relevante nanostructuren, en ook om röntgenonderzoek van apparaten op nanoschaal mogelijk te maken terwijl ze in werking zijn, "Zei Lindenberg. "Weten hoe materialen onder spanning veranderen, kan samen met simulaties worden gebruikt om nieuwe materialen met nieuwe eigenschappen te ontwerpen."