Kristallisatie is een van de meest fundamentele processen in de natuur - en het is wat mineralen, edelstenen, metalen, en zelfs eiwitten hun structuur.

In de afgelopen paar decennia, wetenschappers hebben geprobeerd te ontdekken hoe natuurlijke kristallen zichzelf assembleren en groeien - en hun baanbrekende werk heeft geleid tot een aantal opwindende nieuwe technologieën - van de kwantumstippen achter kleurrijke QLED TV-schermen, aan peptoïden, een eiwit-nabootsing die tientallen biotech doorbraken heeft geïnspireerd.

Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) en UC Berkeley heeft een nanodeeltjescomposiet ontwikkeld dat uitgroeit tot 3D-kristallen. De wetenschappers zeggen dat het nieuwe materiaal, dat ze een 3D PGNP-kristal (polymeer-geënt nanodeeltje) noemen in hun recent gepubliceerde Natuurcommunicatie studie - zou kunnen leiden tot nieuwe technologieën die in 3D zijn gegroeid in plaats van in 3D geprint.

"We hebben een nieuwe hefboom laten zien om te draaien, bij wijze van spreken, een kristallijn materiaal laten groeien tot een composiet of gestructureerd materiaal voor toepassingen variërend van fotonica op nanoschaal voor slimme gebouwen tot actuatoren voor robotica, " zei Ting Xu, senior auteur van de studie. Xu is een facultaire senior wetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en hoogleraar chemie en materiaalwetenschappen en engineering aan UC Berkeley.

Xu zei dat hun nieuwe methode compatibel is met de eisen van massaproductie. "Veel slimme geesten hebben elegante chemie ontworpen, zoals DNA's en supramoleculen, nanodeeltjes te kristalliseren. Ons systeem is in wezen een mengsel van nanodeeltjes en polymeren, die vergelijkbaar zijn met de ingrediënten die mensen gebruiken om vliegtuigvleugels of autobumpers te maken. Maar wat nog interessanter is, is dat we niet hadden verwacht dat onze methode zo eenvoudig en zo snel zou zijn, ' zei Xu.

Een toevallige ontdekking

Hoofdauteur Yiwen Qian, een doctoraat student-onderzoeker in de Xu Group aan UC Berkeley, ontdekte de 3D PGNP-nanokristallen bij toeval in een gewoon laboratoriumexperiment.

Een paar dagen eerder, ze had een oplossing van tolueenoplosmiddel en gouden nanodeeltjes geënt met polystyreen (Au-PS) in een centrifugebuis op een laboratoriumteller achtergelaten. Toen ze naar het monster keek onder een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM), ze merkte iets vreemds op. "Nanodeeltjes waren snel uitgekristalliseerd. Dat was niet normaal om te verwachten, " ze zei.

Onderzoeken, Xu werkte samen met Peter Ercius, een stafwetenschapper bij de Molecular Foundry van Berkeley Lab, en Wolfgang Theis en Alessandra DaSilva van de Universiteit van Birmingham, die allemaal algemeen worden beschouwd vanwege hun expertise in STEM-tomografie (scanning-transmissie-elektronenmicroscopie), een elektronenmicroscopietechniek die een sterk gefocuste elektronenstraal gebruikt om beelden van de 3D-structuur van een materiaal met hoge resolutie te reconstrueren.

Met behulp van microscopen in de Molecular Foundry, een toonaangevende gebruikersfaciliteit in STEM-tomografie, de onderzoekers vingen eerst kristallijne 3D-patronen van de Au-PS-nanodeeltjes.

Op zoek naar meer aanwijzingen, Xu en Qian voerden vervolgens nucleaire magnetische resonantiespectroscopie-experimenten uit aan UC Berkeley, waar ze ontdekten dat een klein spoor van polyolefinemoleculen uit de voering van de centrifugebuis op de een of andere manier in het mengsel was terechtgekomen. Polyolefinen, waaronder polyethyleen en polypropyleen, behoren tot de meest alomtegenwoordige kunststoffen ter wereld.

Qian herhaalde het experiment, het toevoegen van meer polyolefine aan de Au-PS-oplossing - en deze keer ze kregen binnen enkele minuten grotere 3D PGNP-kristallen.

Xu was verrast. "Ik dacht, 'Dit zou niet zo snel moeten gebeuren, '" herinnerde ze zich. "Kristalen van nanodeeltjes hebben meestal dagen nodig om in het laboratorium te groeien."

Een zegen voor de industrie:materialen kweken op nanoniveau

Daaropvolgende experimenten toonden aan dat, aangezien het tolueenoplosmiddel snel verdampt bij kamertemperatuur, het polyolefine-additief helpt de Au-PS-nanodeeltjes te vormen tot 3D PGNP-kristallen, en om "te groeien in hun favoriete kristalstructuur, ' zei Qian.

In een ander sleutelexperiment de onderzoekers ontwierpen een zelf-assemblerende 100-200 nanometer kristallijne schijf die eruitziet als de basis van een piramide. Van deze verbluffende demonstratie van meesterschap over materie op nanoniveau, de onderzoekers ontdekten dat de grootte en vorm van de 3D PGNP-kristallen worden aangedreven door de kinetische energie van de polyolefinen terwijl ze in de oplossing neerslaan.

Allemaal samen, deze bevindingen "bieden een model om te laten zien hoe je de kristalstructuur op het niveau van een enkel deeltje kunt regelen, "Xu zei, toevoegend dat hun ontdekking opwindend is omdat het nieuw inzicht geeft in hoe kristallen zich vormen tijdens de vroege stadia van nucleatie.

"En dat is een uitdaging om te doen, omdat het moeilijk is om atomen naast elkaar te laten zitten, ' zei Ercius.

De nieuwe aanpak zou onderzoekers ongekende controle kunnen geven bij het verfijnen van elektronische en optische apparaten op nanoniveau (miljardsten van een meter), zei Xu. Dergelijke precisie op nanodeeltjesschaal, voegde ze eraan toe, kan de productie versnellen en fouten in de productie elimineren.

Vooruit kijken, Qian wil hun nieuwe techniek gebruiken om de taaiheid van verschillende kristalstructuren te onderzoeken - en misschien zelfs een hexagonaal kristal te maken.

Xu is van plan hun techniek te gebruiken om grotere apparaten te laten groeien, zoals een transistor of misschien 3D-geprinte nanodeeltjes uit een mix van materialen.

"Wat kun je met verschillende morfologieën? We hebben laten zien dat het mogelijk is om uit een mineraal en een polymeer een composiet met één component te maken. Het is echt spannend. Soms moet je gewoon op het juiste moment op de juiste plaats zijn, ' zei Xu.

Co-auteurs van het artikel zijn onder meer Alessandra da Silva en Wolfgang Theis van de Universiteit van Birmingham in het Verenigd Koninkrijk; Emmy Yu, een niet-gegradueerde student-onderzoeker in de Xu Group aan UC Berkeley; en Christopher L. Anderson en Yi Liu bij de Molecular Foundry van Berkeley Lab.