Een PNNL-onderzoeksteam heeft ontdekt dat atomaire krachten die als "zwak" worden beschouwd, in feite meer controle kunnen uitoefenen dan werd begrepen. En die nieuwe ontdekking, gepubliceerd op 25 februari in het tijdschrift Natuurcommunicatie , zou kunnen helpen bij het beter voorspellen en uiteindelijk controleren van de productie van halfgeleidermaterialen die worden gebruikt in elektronica en andere industriële toepassingen.

Materiaalwetenschappers Lili Liu en Elias Nakouzi leidden een multidisciplinair team dat de vorming van zinkoxide onderzocht, een verbazingwekkend veelzijdige stof die wordt gebruikt in een reeks producten, van luieruitslagcrème tot halfgeleiders. Terwijl de molecuulformule (ZnO) hetzelfde blijft, hoe de moleculen uitlijnen, bepaalt hun eigenschappen.

"Traditioneel, men denkt dat kristalgroei optreedt door toevoeging van individuele atomen, " zei Liu. "Maar kristallen kunnen ook op een andere manier groeien. Individuele nanodeeltjes kunnen de bouwstenen worden die aan elkaar hechten om een ​​groter kristal te vormen. Dit wordt georiënteerde gehechtheid genoemd, en we hebben onderzocht hoe het werkt tijdens de groei van zinkoxide."

De wetenschappers gebruikten een combinatie van transmissie-elektronenmicroscopie met extreem hoge resolutie en wiskundige simulaties om hun bevindingen te verklaren. Door de unieke synergie tussen deze tools konden de onderzoekers het probleem vanuit meerdere invalshoeken benaderen.

"De deeltjes zijn als minimagneten, met het ene uiteinde positief het andere negatief, het vormen van wat een dipool wordt genoemd", zei Nakouzi. "We ontdekten dat een zwakke, lange afstand drijvende kracht, een dipool-dipool-interactie genaamd, kan de deeltjes over langere afstanden uitlijnen dan voor mogelijk werd gehouden. Omdat een dipool werkt als een magneet, die interactie creëert een koppel dat deeltjes uitlijnt. Vervolgens, als ze dicht genoeg bij elkaar komen, ze klikken op hun plaats. Dit mechanisme is nog niet eerder gevisualiseerd."

Om hun vertrouwen in de waarneming te verzekeren, de wetenschappers optimaliseerden de oplosmiddel- en zoutconcentraties, die verhinderde dat de nanodeeltjeskristallen oplosten en de waarneming van deeltjesaanhechting mogelijk maakte.

Het onderzoek geeft antwoorden op al lang bestaande vragen over kristallisatiemechanismen, specifiek niet-klassieke kristallisatie via georiënteerde hechting. Door zijn fundamentele aard is het niet direct vertaalbaar naar productontwikkeling of technologische toepassingen, en de bevindingen zullen moeten worden bevestigd in andere soorten kristalstructuren, zei Nakouzi. Maar kristallisatie bevindt zich op het kruispunt van meerdere onderzoeksproblemen, en het onderzoeksteam verwacht een brede betekenis van deze resultaten in materiaalsynthese en milieubeheertoepassingen.

"Benaderingen om materialen te maken op basis van assemblage van nanodeeltjes hebben een enorm potentieel voor het bereiken van nieuwe of verbeterde eigenschappen voor een breed scala aan energietoepassingen, van zonne-energie tot batterijen tot katalysatoren, " zei James DeYoreo, een Battelle Fellow bij PNNL en senior wetenschapper in het onderzoeksteam. "Begrijpen hoe het assemblageproces werkt en hoe het kan worden gecontroleerd, is van cruciaal belang om dat potentieel te realiseren. De resultaten van deze studie onthullen een van de belangrijkste controles op de assemblage van nanodeeltjes voor een belangrijke klasse van halfgeleidermaterialen en suggereren een eenvoudige benadering van het sturen het proces."