De natuur houdt duidelijk van symmetrie. Kijk bijvoorbeeld naar je eigen handen. Maar soms produceert de natuur asymmetrische dingen, en de redenen zijn niet altijd duidelijk.

Rice University-chemicus Matthew Jones en zijn team hebben gezocht naar antwoorden op dergelijke vragen over nuttige nanodeeltjes - en lijken er nu een te hebben.

Een nieuwe studie door Jones, hoofdauteur en postdoctoraal onderzoeker Muhua Sun en afgestudeerde studenten Zhihua Cheng en Weiyin Chen laat zien hoe symmetriebreking tijdens deeltjesgroei op betrouwbare wijze piramidevormige, gouden tetraëder nanokristallen vormt.

Bij symmetriebreking bepalen kleine fluctuaties in een zich ontwikkelend systeem het lot van het systeem. In dit geval is het van toepassing op de groei van kristallen uit zaden op nanoschaal die beginnen met een symmetrisch atomair rooster.

De Rice-onderzoekers lieten zien hoe het balanceren van thermodynamische en kinetische krachten tijdens het kristallisatieproces kan worden gebruikt om deeltjesgroei in de gewenste richting te kantelen. Hun ontdekking opent ook de weg naar het gebruik van asymmetrische nanodeeltjes als bouwstenen voor unieke metamaterialen.

De studie in het tijdschrift van de American Chemical Society ACS Nano komt voort uit werk ondersteund door Jones' Packard Fellowship, toegekend in 2018 om hem te helpen onderzoek te doen naar vloeibare celtransmissie-elektronenmicroscopie (TEM).

De techniek die is ontwikkeld door Jones en zijn laboratorium stelt onderzoekers in staat om te kijken naar de vorm van enkele metalen nanodeeltjes in vloeistof door een venster dat groot genoeg is om elektronen door te laten. Over het algemeen werken transmissie-elektronenmicroscopen in hoog vacuüm en verdampen ze eenvoudig blootgestelde vloeistoffen.

De onderzoekers merkten op dat tetraëdervormige nanodeeltjes vaak worden aangetroffen als bijproducten van andere processen, maar het doelbewust maken ervan in het laboratorium bleek een uitdaging te zijn.

"Als een deeltje een enkel kristal is, erft het meestal de symmetrie van het rooster," zei Jones. "En kristallen zijn meestal zeer symmetrisch, zoals kubussen of ruitvormige dodecaëders of octaëders. Maar dan zijn er deze vreemde uitschieters die sommige mensen zien die op mysterieuze wijze een lagere symmetrie hebben dan het bovenliggende rooster."

De nieuwe studie is de eerste van Jones' lab om te laten zien hoe goed de vloeibare celtechniek werkt. Het vermogen om vloeistof met liganden en voorlopers door de cel te laten stromen terwijl ze toekijken, stelde hen in staat om thuis te komen op het punt waar de groei op een dwaalspoor raakt en de symmetrie van het uiteindelijke nanodeeltjesproduct omleidt.

De sleutel bleek de groeisnelheid en de omstandigheden waaronder goudatomen de neiging hadden om zich aan deeltjes aan hun uiteinden en randen te hechten in plaats van aan de thermodynamisch favoriete vlakken.

"Nu we een reeks omstandigheden kunnen screenen, konden we een spectrum zien met kinetische groei aan de ene kant en evenwicht aan de andere kant," zei Jones. "Kinetische groei is snel en uitsteeksels groeien erg snel en het wordt niet erg goed gecontroleerd. In evenwicht is de groei traag en doet het systeem wat het wil doen, namelijk de symmetrie behouden.

"Maar met vloeibare cel TEM konden we één variabele on-the-fly veranderen en het gedrag in het midden zien, waar we deze vreemde symmetrie konden zien breken en een goed gedefinieerd tetraëderdeeltje naar buiten kon komen. Dus we concludeerden dat dit een balans moest zijn tussen evenwichts- en kinetische factoren."

Jones zei te begrijpen dat het fundamentele evenwicht "generaliseerbaar zou moeten zijn naar een verscheidenheid aan andere omstandigheden."

Hij zei dat de ontdekking ook vloeibare cel TEM aantoont als een waardevol hulpmiddel voor de observatie en analyse van dynamische chemische processen, waardoor mogelijk veel vallen en opstaan ​​bij de synthese van deeltjes voor biogeneeskunde, katalyse of nanofotonica wordt geëlimineerd.

"Er gaat niets boven het kunnen zien gebeuren," zei hij. "Dat is wat deze techniek doet. Je schiet geen fotonen ergens op af en moet dan een heleboel analyses doen om de resultaten te interpreteren. Je kijkt gewoon naar het proces. Zien is geloven." + Verder verkennen

Oorsprong van symmetriebreking in de zaadgemedieerde groei van bimetaal nano-heterostructuren