Een team van onderzoekers van de University of Pennsylvania en de University of Michigan heeft een blauwdruk ontwikkeld voor het ontwerpen van nieuwe materialen met behulp van moeilijke combinaties van nanokristallen.

Het werk zou kunnen leiden tot verbeteringen in nanokristallen die al in displays worden gebruikt, medische beeldvorming en diagnostiek, en nieuwe materialen mogelijk te maken met voorheen onmogelijke eigenschappen.

Onderzoekers kunnen materialen maken met nieuwe en interessante eigenschappen door nanokristallen van verschillende samenstellingen samen te brengen, maten en vormen. De uitdaging is om dat op een georganiseerde manier te doen. Nutsvoorzieningen, het team van Penn en U-M hebben een strategie ontwikkeld die de beschikbare nanodeeltjes verkent en uitzoekt hoe ze aan elkaar kunnen worden geplakt.

"Het is een van die problemen waarbij 'like likes like, '", zei recent gepromoveerde Katherine Elbert, die deze studie leidde terwijl hij in het lab van Chris Murray werkte, een Penn Integrates Knowledge (PIK) Professor in materiaalkunde en techniek.

Deze tendens betekent dat de verschillende soorten nanokristallen vaak uit elkaar gaan, het vormen van ongeordende blobs in plaats van geïntegreerd, vaste stoffen besteld.

"Hier, we proberen die barrière te overwinnen en materialen te maken waarin de nanokristallen precies zijn gekoppeld aan hun buren om hun eigenschappen te hybridiseren, ' zei Elbert.

Computermodellering door de groep van Sharon Glotzer, de John W. Cahn Distinguished University Professor of Engineering aan de UM, demonstreerde een manier om deze barrière te omzeilen door de nanodeeltjes te coaten met moleculen die van vorm veranderen voor zover het naburige nanodeeltjes betreft.

"We kunnen die subtiele veranderingen gebruiken om assemblage te stimuleren in plaats van segregatie, " zei Thi Vo, U-M research fellow in chemische technologie.

Een van de grootste uitdagingen op het gebied van onderzoek is het enorme aantal en de soorten nanokristallen - met enorme bibliotheken van nanokristallen met verschillende chemische formules, maten en vormen.

"Elke 'steen' precies op de juiste plaats zetten zou onoverkomelijk zijn, "Zei Murray. "Maar als je de regels kunt vinden waarmee de natuur nanokristallen wil assembleren, en je weet de omstandigheden en het precieze ontwerp van blokken te optimaliseren, je hebt nu die blauwdruk voor het maken van verschillende klassen materialen."

Glotzer's groep kamde door de bibliotheek van deeltjes die Murray's groep kon maken, modelleren van interacties tussen paren nanokristallen om te zien hoe ze zichzelf kunnen assembleren tot verschillende gewenste structuren. De computationele studie aanbevolen maten, vormen, materiaalsoorten en chemische omgevingen voor vervolgexperimenten in het lab.

De onderzoekers concentreerden zich op twee klassen nanokristallen met enorm verschillende samenstellingen, maten en structuren in deze studie - een met interessante optische eigenschappen en de andere met nuttige elektrische eigenschappen. Gebruikelijk, ze houden niet van mixen. Maar als ze dat deden, we zouden ze mogelijk kunnen combineren om zonnecellen te maken die infrarood licht efficiënter kunnen omzetten in elektriciteit, onder andere mogelijkheden.

Toen het team de oppervlakteafmetingen en vormen van de nanokristallen nauwkeurig controleerde met die coatingmoleculen, zodat de juiste combinaties van kristallen elkaar zouden aantrekken, ze waren in staat om geïntegreerde structuren te creëren. These results can be applied to other types of materials with only minor adjustments.

"By building nanoscale components and organizing them under a universal set of conditions, we can get materials properties that don't coexist or are exceedingly difficult to bring together. Nutsvoorzieningen, we have a strategy to get the nanocrystals to couple and overlap, " Murray said.

The paper in wetenschappelijke vooruitgang is titled "Anisotropic nanocrystal shape and ligand design for co-assembly."