Wetenschappers van de Iowa State University hebben een nieuwe formulering ontwikkeld die helpt de zelfassemblage van atomen in nanoclusters te verklaren en het wetenschappelijke begrip van verwante nanotechnologieën te bevorderen. Hun onderzoek biedt een theoretisch kader om de relatie tussen de verdeling van "vangstzones, " de regio's die de "eilanden" op nanoschaal omringen, gevormd door afzetting op oppervlakken, en het onderliggende kiemvormings- of vormingsproces.

Nanotechnologie omvat wetenschap en techniek ter grootte van een nanometer, of een miljardste van een meter. Het heeft een centrale rol gespeeld bij de ontwikkeling van innovaties zoals dunnefilmzonnepanelen, verbeterde batterijen en goedkopere sensoren.

De zelfassemblage van atomen in nanoclusters is een onderwerp van groot belang voor nanotechnologen omdat het de mogelijkheid biedt om nanogestructureerde systemen te creëren met verbeterde magnetische, katalytische en plasmonische eigenschappen die veel industriële toepassingen hebben.

"Als je de mogelijkheid hebt om deze zelfassemblageprocessen te beheersen om de morfologie en ruimtelijke ordening van deze nanostructuren te sturen, dan kunt u de eigenschappen waarin u geïnteresseerd bent verbeteren, " zei James W. Evans, een professor in de natuurkunde aan de Iowa State University.

Evans en zijn team, die werden gefinancierd door de National Science Foundation, beschrijven hun aanpak deze week in The Journal of Chemical Physics .

Terwijl de natuurwetenschappelijke gemeenschap eerder de grootteverdeling van genucleëerde eilanden had overwogen tijdens de zelfassemblage van afgezette atomen, recentere discussies hebben zich geconcentreerd op de verdeling van de veroveringszones van de eilanden. Evans en zijn medewerkers concentreerden zich op het creëren van een theoretische basis om te begrijpen hoe kleine veroveringszones zich ontwikkelen. Hun ontwikkeling heeft belangrijke implicaties voor het bepalen van de grootte die een genucleëerd eiland moet bereiken om stabiel te worden. Hun analyse combineert snelheidsvergelijkingen met elementen van stochastische meetkunde.

Een van de vele belangrijke inzichten die uit hun onderzoek naar voren kwamen, was het belang van de ruimtelijke locatie van kiemvormingsgebeurtenissen ten opzichte van bestaande veroveringszones en eilanden bij de vorming van nieuwe, kleinere opvangzones.

"Als je midden in een drietal eilanden kiemt die veel dichter bij elkaar liggen dan wat typisch is, de veroveringszone van het nieuwe eiland dat wordt gecreëerd is veel kleiner dan de gemiddelde grootte, "Zei Evans. Om deze relatie te benadrukken van hoe de grootte van vangstzones en hun resulterende distributie kunnen worden beïnvloed door kiemvorming, hun werk toont de relatie tussen hoe de grootte van vangstzones en hun resulterende distributie kunnen worden beïnvloed door kiemvorming.

Evans en zijn team hebben een theoretische studie uitgevoerd naar de verdeling van de vangstzone (CZD) van compacte eilanden, inclusief een afleiding van een vergelijking voor de schaalfunctie van de verdeling van de vangstzone. Naast de theoretische resultaten, de auteurs hebben simulatieresultaten opgenomen met behulp van Kinetic Monte Carlo om de voorspellingen van de eilandverdeling en schaalgedrag te bevestigen, het verkrijgen van in het algemeen goede overeenstemming tussen theoretische en numerieke resultaten. De formuleringen van Evans en collega's benadrukken het belang van subtiele ruimtelijke details van het kiemvormingsproces, en specifiek van gerelateerde grootheden zoals de intrinsieke overlapwaarschijnlijkheden en fractionele overlapverdeling. Deze hoeveelheden hebben in het verleden beperkte aandacht gekregen, maar hun gedetailleerde vorm is belangrijk omdat deze van invloed is op die van de CZD.

Een van de uitdagingen van dit onderzoek is dat het zich concentreert op een systeem dat verre van evenwicht is, die veel van de conventionele analytische methoden tart die door natuurwetenschappers worden gebruikt.

"Het feit dat dit een verre van evenwichtssysteem is, betekent dat er geen standaard theoretische hulpmiddelen zijn die je kunt toepassen om het proces te analyseren, ’ legde Evans uit.

Nog altijd, met uitgebreide simulaties die depositie-experimenten weerspiegelen die doorgaans worden uitgevoerd in ultrahoge vacuümkamers, Evans en zijn team zijn erin geslaagd een raamwerk te ontwikkelen om uit te leggen hoe kleinere veroveringszones worden gegenereerd. De wetenschappers hopen dat hun werk andere onderzoekers ertoe aanzet om ook de kwestie van de verdeling van het vangstzonegebied te onderzoeken, omdat de verzamelde collectieve inzichten het begrip van de bredere wetenschappelijke gemeenschap over hoe nanoclusters samenkomen, zullen bevorderen.