De structuur die wordt aangenomen door loodsulfide-nanodeeltjes verandert verrassend vaak als ze samenkomen om geordende superroosters te vormen. Dat blijkt uit een experimenteel onderzoek dat is uitgevoerd bij DESY's röntgenbron PETRA III. Een team onder leiding van de DESY-wetenschappers Irina Lokteva en Felix Lehmkühler, van de Coherent X-ray Scattering-groep onder leiding van Gerhard Grübel, heeft de zelforganisatie van deze halfgeleider-nanodeeltjes in realtime waargenomen. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Chemie van materialen . De studie helpt om de zelfassemblage van nanodeeltjes beter te begrijpen, die tot aanzienlijk verschillende structuren kunnen leiden.

Onder andere, loodsulfide nanodeeltjes worden gebruikt in fotovoltaïsche cellen, lichtgevende dioden en andere elektronische apparaten. In de studie, het team onderzocht de manier waarop de deeltjes zichzelf organiseren om een ​​sterk geordende film te vormen. Dat deden ze door een druppel vloeistof (25 miljoenste van een liter) met de nanodeeltjes in een kleine cel te plaatsen en het oplosmiddel in de loop van twee uur langzaam te laten verdampen. De wetenschappers gebruikten vervolgens een röntgenstraal op de P10-bundellijn om in realtime te observeren welke structuur de deeltjes tijdens de assemblage vormden.

Tot hun verbazing, de door de deeltjes aangenomen structuur veranderde tijdens het proces verschillende keren. "Eerst zien we de nanodeeltjes een hexagonale symmetrie vormen, wat leidt tot een vaste nanodeeltjes met een hexagonale roosterstructuur, " meldt Lokteva. "Maar dan verandert het superrooster plotseling, en vertoont een kubieke symmetrie. Terwijl het blijft drogen, de structuur maakt nog twee overgangen, steeds een superrooster met tetragonale symmetrie en uiteindelijk een met een andere kubieke symmetrie." Deze reeks is nog nooit eerder in zo'n detail onthuld.

Het team suggereert dat de zeshoekige structuur (hexagonaal dicht opeengepakt, HCP) blijft bestaan ​​zolang het oppervlak van de deeltjes door het oplosmiddel gezwollen is. Als de film een ​​beetje droog is, de interne structuur verandert in een kubische symmetrie (lichaamsgecentreerde kubieke, BCC). Echter, residuen van het oplosmiddel blijven nog steeds tussen de individuele nanodeeltjes in de film. Terwijl dit verdampt, de structuur verandert nog twee keer (body-centered tetragonal BCT en face-centered cubic FCC).

De uiteindelijke structuur van de film hangt af van een aantal verschillende factoren, zoals Lokteva uitlegt. Ze omvatten het type oplosmiddel en hoe snel het verdampt, grootte en concentratie van de nanodeeltjes, maar ook de aard van de zogenaamde liganden die de deeltjes omringen en hun dichtheid. Wetenschappers gebruiken de term ligand om bepaalde moleculen te beschrijven die aan het oppervlak van nanodeeltjes binden en voorkomen dat ze agglomereren. In de studie, het team gebruikte hiervoor oliezuur; zijn moleculen bedekken de deeltjes, net als de was die voorkomt dat gummyberen aan elkaar blijven plakken in een zak. Dit is een goed ingeburgerd proces in nanotechnologie.

"Ons onderzoek geeft aan dat de uiteindelijke structuur van het superrooster ook afhangt van het feit of de individuele nanodeeltjes zijn omgeven door veel of weinig oliezuurmoleculen, " meldt Lokteva. "In een eerdere studie, we verkregen films met een BCC/BCT-kristalstructuur wanneer de liganddichtheid hoog was. Hier, we hebben specifiek gekeken naar nanodeeltjes met een lage liganddichtheid, en dit leidde tot een FCC-structuur. Dus bij het gebruik van nanodeeltjes, de liganddichtheid moet worden bepaald, wat op dit moment geen standaardpraktijk is, " legt de DESY-wetenschapper uit.

Deze observaties zijn ook belangrijk als het gaat om andere materialen, merkt het team op. "Loodsulfide is een interessant modelsysteem dat ons helpt om de algemene mechanismen waarmee nanodeeltjes zichzelf assembleren beter te begrijpen, Lokteva legt uit. "De natuur kan nanostructuren voorzien van verschillende interessante eigenschappen via het fenomeen van zelfassemblage, en we hebben nu de middelen om over de schouder van de natuur mee te kijken terwijl ze deze structuren bouwt."