Zelfassemblerende en complexe mesokristallen op nanoschaal kunnen worden afgestemd op verschillende toepassingen

Een onderzoeksteam van KTH Royal Institute of Technology en Max Planck Institute of Colloids and Interfaces meldt de sleutel te hebben gevonden tot gecontroleerde fabricage van mesokristallen van ceriumoxide. Het onderzoek is een stap voorwaarts in het afstemmen van nanomaterialen die een breed scala aan toepassingen kunnen dienen, waaronder zonnecellen, brandstofkatalysatoren en zelfs medicijnen.

Mesocrystals zijn nanodeeltjes met identieke grootte, vorm en kristallografische oriëntatie, en ze kunnen worden gebruikt als bouwstenen om kunstmatige nanostructuren te creëren met aangepaste optische, magnetische of elektronische eigenschappen. In de natuur komen deze driedimensionale structuren voor in bijvoorbeeld koraal, zee-egels en calciet woestijnroos. Kunstmatig geproduceerd ceriumoxide (CeO₂) mesokristallen – of nanoceria – staan ​​bekend als katalysatoren, met antioxiderende eigenschappen die nuttig kunnen zijn bij de farmaceutische ontwikkeling.

“Om CeO . te kunnen fabriceren₂ mesocrystals op een gecontroleerde manier, moet men het vormingsmechanisme van deze materialen begrijpen”, zegt Inna Soroka, een onderzoeker in de toegepaste fysische chemie bij KTH. Ze zegt dat het team stralingschemie gebruikte om voor de eerste keer het vormingsmechanisme van ceria mesocrystal te onthullen.

Vanwege hun complexiteit volgt de vorming van mesokristallen niet hetzelfde pad als gewone kristallen – een proces dat Ostwald-rijping wordt genoemd, waarbij kleinere deeltjes in oplossing oplossen en neerslaan op grotere deeltjes.

De onderzoekers ontdekten dat een gelachtige, amorfe fase een matrix vormt waarin primaire deeltjes, ongeveer 3 nm groot, op één lijn liggen met elkaar en zichzelf assembleren tot mesokristallen met een diameter van 30 nm.

“Als het mesocrystal een huis was, speelt deze amorfe fase de rol van het cement dat de uitgelijnde stenen in de muren verbindt, zegt Dr. Soroka.

Ze ontdekten ook dat de mesokristallen zichzelf verder kunnen organiseren en suprakristallen kunnen vormen, zichtbaar voor het blote oog. “Net zoals een architect misschien niet één huis ontwerpt, maar een hele buurt, waarbij de huizen op een bepaalde manier zijn georiënteerd om aan de behoeften van hun bewoners te voldoen”, zegt ze.

Deze hiërarchische architectuur van suprakristallen op meerdere niveaus is een interessant concept voor toekomstig materiaalontwerp, zegt ze. “Mensen zijn gefascineerd door de verscheidenheid aan structuren en complexe vormen die in de natuur voorkomen, zoals zee-egels en koralen. En wetenschappers zijn geïnteresseerd in hoe de kristallisatieprocessen werken. Ons werk draagt ​​bij aan dit begrip.”

Het onderzoek is gepubliceerd in Internationale editie van Angewandte Chemie.