Een team van onderzoekers onder leiding van ETH Zürich-professor David Norris heeft een model ontwikkeld om het algemene mechanisme van de vorming van nanobloedplaatjes te verduidelijken. Met behulp van pyriet, ze slaagden er ook in om hun theorie te bevestigen.

Wetenschappers doen al sinds de jaren tachtig onderzoek naar lichtgevende gekleurde kwantumstippen (QD's). Deze nanokristallen maken nu deel uit van ons dagelijks leven:de elektronica-industrie gebruikt ze in lcd-televisies om de kleurweergave en beeldkwaliteit te verbeteren.

Quantum dots zijn bolvormige nanokristallen gemaakt van een halfgeleidermateriaal. Wanneer deze kristallen worden geëxciteerd door licht, ze gloeien groen of rood - afhankelijk van hun grootte, die typisch tussen de 2 en 10 nanometer is. De bolvormen kunnen zeer gecontroleerd worden geproduceerd.

Rechthoekige ultradunne kristallen

Een paar jaar geleden, een nieuw type nanokristal trok min of meer toevallig de aandacht van onderzoekers:nanobloedplaatjes. Zoals kwantumstippen, deze tweedimensionale structuren zijn slechts enkele nanometers groot, maar hebben een meer uniforme flat, rechthoekige vorm. Ze zijn extreem dun, vaak slechts de breedte van een paar atomaire lagen, waardoor de bloedplaatjes een van hun meest opvallende eigenschappen hebben:hun extreem zuivere kleur.

Tot nu toe was het mechanisme dat verklaart hoe dergelijke bloedplaatjes ontstaan ​​een mysterie. In samenwerking met een Amerikaanse onderzoeker, ETH-professor David Norris en zijn team hebben dit mysterie nu opgelost:"We weten nu dat er geen magie is bij het produceren van nanobloedplaatjes, gewoon wetenschap", benadrukte de hoogleraar materiaalkunde.

In een onderzoek dat zojuist is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurmaterialen , de onderzoekers laten zien hoe cadmiumselenide-nanoplaatjes hun bijzondere platte vorm aannemen.

Groei zonder sjabloon

Onderzoekers gingen er eerder van uit dat voor deze zeer precieze vorm een ​​soort sjabloon nodig was. Wetenschappers vermoedden dat een mengsel van speciale verbindingen en oplosmiddelen een sjabloon produceerde waarin deze platte nanokristallen zich vervolgens vormden.

Echter, Norris en zijn collega's vonden geen bewijs dat dergelijke vormsjablonen een rol speelden. Integendeel, ze ontdekten dat de bloedplaatjes kunnen groeien door het eenvoudig smelten van de grondstoffen cadmiumcarboxylaat en selenium, zonder enig oplosmiddel.

Theoretisch groeimodel bedacht

Het team nam vervolgens deze kennis en ontwikkelde een theoretisch model om de groei van de bloedplaatjes te simuleren. Dankzij dit model de wetenschappers laten zien dat een gekristalliseerde kern spontaan ontstaat met slechts enkele cadmium- en seleniumatomen. Deze gekristalliseerde kern kan weer oplossen en zich in een andere vorm herconfigureren. Echter, zodra het een kritische grootte heeft overschreden, het groeit uit tot een bloedplaatje.

Om energiegerelateerde redenen, het platte kristal groeit alleen aan zijn smalle kant, tot 1, 000 keer sneller dan op zijn platte kant. De groei aan de platte kant is beduidend langzamer omdat er meer slecht gebonden atomen aan het oppervlak zouden zijn, energie nodig hebben om ze te stabiliseren.

Model experimenteel geverifieerd

uiteindelijk, de onderzoekers slaagden er ook in hun model experimenteel te bevestigen door in het laboratorium pyriet (FeS2) nanobloedplaatjes te maken. Ze produceerden de bloedplaatjes precies volgens de modelvoorspelling met ijzer- en zwavelionen als basisstoffen.

"Het is heel interessant dat we deze kristallen voor het eerst konden produceren met pyriet, ", zegt Norris. "Dat liet ons zien dat we ons onderzoek kunnen uitbreiden naar andere materialen." Cadmiumselenide is het meest gebruikte halfgeleidermateriaal dat wordt gebruikt bij het onderzoek naar nanokristallen; het is zeer giftig en dus ongeschikt voor dagelijks gebruik. Het doel van de onderzoekers is om nanobloedplaatjes te maken die gemaakt zijn van minder giftige of niet-toxische stoffen.

Groen licht geven voor verdere ontwikkeling

Momenteel, Over het toekomstige potentieel van nanobloedplaatjes kan Norris alleen maar speculeren. Hij zegt dat ze een interessant alternatief kunnen zijn voor kwantumdots, omdat ze verschillende voordelen bieden; bijvoorbeeld, ze kunnen kleuren zoals groen beter en helderder genereren. Ze transporteren energie ook efficiënter, waardoor ze ideaal zijn voor gebruik in zonnecellen, en ze zouden ook geschikt zijn voor lasers.

Echter, ze hebben ook een aantal nadelen. Kwantumstippen, bijvoorbeeld, laat oneindig variabele kleuren toe door de vorming van kristallen van verschillende grootte. Bij bloedplaatjes niet:door de gelaagdheid van de atoomlagen, de kleur kan alleen stapsgewijs worden gewijzigd. Gelukkig, deze beperking kan worden verzacht met bepaalde "trucs":door de bloedplaatjes in te kapselen in een andere halfgeleider, de golflengte van het uitgestraalde licht kan nauwkeuriger worden afgestemd.

Alleen de tijd zal leren of deze ontdekking de interesse van de display-industrie zal wekken. Sommige bedrijven gebruiken momenteel organische LED (OLED) technologie, terwijl anderen kwantumstippen gebruiken. Hoe de technologie zal evolueren, is onduidelijk. Echter, het vermogen om een ​​breed scala aan nanobloedplaatjesmaterialen te onderzoeken als gevolg van dit werk kan de halfgeleider nanokristalbenadering een nieuw voordeel geven.