Onderzoekers van de Brown University hebben complexe superstructuren op macroschaal samengesteld uit piramidevormige bouwstenen van nanodeeltjes. Het onderzoek, beschreven in het journaal Natuur , demonstreert een veelbelovende nieuwe manier om de nuttige eigenschappen van nanodeeltjes naar materialen en apparaten op macroschaal te brengen.

"Er is veel onderzoek gedaan naar het maken van superstructuren van bolvormige nanodeeltjes, maar veel minder met behulp van tetraëdrische bouwstenen, " zei Ou Chen, een assistent-professor scheikunde bij Brown en senior auteur van de studie. "Tetraëders openen de mogelijkheid om veel complexere structuren te maken, en de 3D-superstructuur die we hier demonstreren, is een van de meest complexe die ooit is samengesteld uit componenten van enkele nanodeeltjes."

Chen's onderzoeksgroep ontwikkelde de bouwstenen die in het onderzoek werden gebruikt een jaar geleden. De deeltjes zijn kwantumstippen - halfgeleiders op nanoschaal die licht kunnen absorberen en uitstralen. Hun tetraëdrische (piramide-achtige) vorm heeft belangrijke voordelen ten opzichte van bollen, Chen zegt, wanneer ze worden gebruikt om grotere constructies te bouwen. Tetraëders kunnen samenpakken met minder lege ruimte dan bollen, constructies potentieel robuuster maken. In aanvulling, de in het onderzoek gebruikte deeltjes zijn anisotroop, wat betekent dat ze verschillende eigenschappen hebben, afhankelijk van hun oriëntatie ten opzichte van elkaar. Bollen, anderzijds, zijn in alle richtingen hetzelfde.

In het geval van de tetraëdrische kwantumstippen, anisotropie werd gegenereerd door één plat vlak te behandelen, of facet, van elke piramide met een ander ligand (een chemisch bindmiddel) dan de andere facetten.

"Liganden helpen het aanrakingsproces te sturen dat optreedt wanneer twee deeltjes facet tot facet samenkomen, " zei Yasutaka Nagaoka, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Chen en de belangrijkste bijdrage aan het project. "In dit geval, facetten met gelijke liganden trekken elkaar aan, wat een zekere mate van controle biedt over hoe de deeltjes zichzelf rangschikken."

Dat in tegenstelling tot isotrope bollen, die zich willekeurig ordenen.

"Anisotropie draagt ​​bij aan de complexiteit van de superstructuren die we kunnen maken in vergelijking met het gebruik van isotrope bollen, Chen zei. "Het geeft ons ook enige macht om de atomaire uitlijning van de deeltjes in de superkristallen te controleren, waaruit interessante eigenschappen kunnen ontstaan. Bijvoorbeeld, je kunt voorspellen dat uitlijning zal leiden tot betere elektronische eigenschappen omdat elektronen gemakkelijker door het rooster van de bovenbouw springen."

Voor hun studie Chen en zijn collega's losten hun tetraëdrische kwantumstippen op in oplossing, liet de deeltjes vervolgens samensmelten tot drie verschillende soorten superstructuren:eendimensionale strengen, tweedimensionale kristalroosters en driedimensionale superkristallen.

De 3D-superkristallen waren bijzonder interessant, Chen zegt, vanwege hun complexiteit en de interessante manier waarop ze gevormd zijn. De afzonderlijke nanodeeltjes vormden eerst bolvormige clusters van elk 36 deeltjes. Die clusters vormden toen de grotere bovenbouw. Toen de onderzoekers de structuur in detail karakteriseerden met behulp van röntgenverstrooiing, ze ontdekten dat de atomaire structuur van het rooster inderdaad was uitgelijnd, zoals ze hadden gehoopt.

Nu ze een methode hebben getoond om de structuren te vormen, de volgende stap is om hun eigendommen te ondervragen.

"De bouwstenen van kwantumdots zijn op zichzelf al interessant, Chen zei. "Ze hebben een interessante fotondynamiek, wat zich kan vertalen in interessante optische eigenschappen in de bovenbouw.

"We moeten begrijpen hoe we deze grotere en complexere structuren kunnen samenstellen, " zei hij. "Ik denk dat dit een brug zal zijn die de dynamiek op nanoschaal naar de macroschaal zal brengen en nieuwe soorten metamaterialen en apparaten mogelijk zal maken."