Het geheim van een lang verborgen goocheltruc achter de zelfassemblage van nanokristalstructuren begint te worden onthuld.

De transformatie van eenvoudige colloïdale deeltjes - stukjes materie gesuspendeerd in oplossing - in dicht opeengepakte, mooie kantachtige mazen, of superroosters, houdt onderzoekers al tientallen jaren bezig. Op zich mooie plaatjes, deze kleine superroosters, ook wel kwantumstippen genoemd, worden gebruikt om meer levendige weergaveschermen te creëren, evenals arrays van optische sensorische apparaten. Het ultieme potentieel van kwantumdots om van elk oppervlak een slim scherm of scharnieren van een energiebron te maken, gedeeltelijk, om te begrijpen hoe ze zich vormen.

Door een combinatie van technieken, waaronder gecontroleerde verdamping van oplosmiddelen en synchrotron-röntgenverstrooiing, de realtime zelfassemblage van nanokristalstructuren is nu in-situ waarneembaar geworden. De bevindingen werden gerapporteerd in het tijdschrift Natuurmaterialen in een paper van assistent-professor William A. Tisdale en afstudeerder Mark C. Weidman, zowel bij de afdeling Chemische Technologie van het MIT, en Detlef-M. Smilgies bij de Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS).

De onderzoekers verwachten dat hun nieuwe bevindingen implicaties zullen hebben voor de directe manipulatie van resulterende superroosters, met de mogelijkheid van on-demand fabricage en het potentieel om principes te genereren voor de vorming van verwante zachte materialen zoals eiwitten en polymeren.

Quantum dot-disco

Tisdale en zijn collega's behoren tot de vele groepen die harde halfgeleider nanokristallen bestuderen met oppervlakken die zijn bedekt met organische moleculen. Deze oplossing-verwerkbare elektronische materialen liggen nu in de winkelrekken onder verschillende namen, geïntegreerd in alles, van verlichtingsschermen tot tv's. Ze worden ook bekeken voor het maken van efficiënte zonnecellen en andere apparaten voor energieconversie vanwege hun fabricagegemak en goedkope fabricageprocessen.

De bredere acceptatie van deze nanokristallen in andere energieconversietechnologieën is beperkt, gedeeltelijk, door het gebrek aan kennis over hoe ze zichzelf assembleren, gaande van colloïdale deeltjes (zoals piepkleine piepschuimballen gesuspendeerd in een vloeistof) tot superroosters (foto diezelfde ballen nu droog, Ingepakt, en uitgelijnd).

Technieken, waaronder elektronenmicroscopie en dynamische lichtverstrooiing, hebben enkele aspecten van de colloïdale starttoestand en de uiteindelijke superroosterstructuur blootgelegd, maar ze hebben de overgang tussen deze twee staten niet verlicht. In feite, dergelijk fundamenteel werk dateert uit het midden van de jaren negentig met de groep van Moungi Bawendi aan het MIT.

"In de afgelopen 10 tot 15 jaar er is veel vooruitgang geboekt met het maken van zeer mooie nanokristalstructuren, "zegt Tisdale. "Echter, er is nog steeds veel discussie over waarom ze in elke configuratie worden samengevoegd. Is het ligandentropie of de facetten van de nanokristallen? De diepgaande informatie die wordt geboden door het hele zelforganisatieproces in realtime te volgen, kan helpen bij het beantwoorden van deze vragen."

Geheime kamer

Om de bovenstaande film op nanoschaal te maken, Tisdale's afgestudeerde student en co-auteur Mark Weidman profiteerde van een door Cornell ontwikkelde experimentele kamer en een recent ontwikkelde dubbele detectoropstelling met twee snelle gebiedsdetectoren, terwijl de omgevingsomstandigheden werden veranderd tijdens de vorming van superroosters. Met behulp van loodsulfide nanokristallen, Weidman was in staat om gelijktijdige kleine-hoek röntgenverstrooiing (vastleggen van de structuur van het superrooster) en groothoek röntgenverstrooiing (vastleggen van oriëntatie op atomaire schaal en uitlijning van afzonderlijke deeltjes) waarnemingen uit te voeren tijdens de verdamping van een oplosmiddel.

"We denken dat dit het eerste experiment was waarmee we in realtime en in een native omgeving konden zien hoe zelfassemblage plaatsvindt, Tisdale zegt. "Deze experimenten zouden niet mogelijk zijn geweest zonder de experimentele mogelijkheden die zijn ontwikkeld door Detlef en het CHESS-team."

Het gebruik van nanokristallen met een zwaar element (lood) en de helderheid van de synchrotron-röntgenbron maakten een voldoende snelle gegevensverzameling mogelijk dat zelfassemblage in realtime kon worden waargenomen, resulterend in boeiende beelden en films van het proces.

Een fijn gaas

De ontdekking kan leiden tot verfijnde modellen voor zelfassemblage van een breed scala aan organische zachte materialen. Bovendien, de mogelijkheid om de structuur te bekijken terwijl deze in realtime evolueert, is ook veelbelovend voor het ingrijpen of het sturen van het systeem in de gewenste configuraties, een voorbode van een toekomstige handleiding voor het maken van superroosters.

Tisdale zegt dat er nog veel meer werk moet worden verzet om inzicht te krijgen in waarom nanokristallen zichzelf assembleren zoals ze doen. Hij en zijn team zijn van plan om hun nieuwe techniek te gebruiken om parameters zoals oplosmiddelomstandigheden en de grootte en vorm van nanokristallen te manipuleren, en om de liganden aan de oppervlakte nauwkeuriger te bestuderen, aangezien ze de belangrijkste drijfveer voor zelfassemblage lijken te zijn.

"We hopen dat deze studie en deze techniek ons ​​begrip van colloïdale zelfassemblage zullen helpen vergroten en, op de lange termijn, stellen ons in staat om zelfassemblage op nanoschaal naar een gewenste structuur te sturen, ' voegt Weidman toe.