Wetenschappers observeren de groei van de samengestelde bovenbouw van nanokristallen in realtime

Voor het eerst hebben wetenschappers en ingenieurs in realtime waargenomen hoe twee soorten nanodeeltjes, gemaakt van verschillende materialen, zich combineren tot nieuwe composietmaterialen. De bevindingen, gerapporteerd door een team onder leiding van de Universiteit van Pennsylvania en de Universiteit van Michigan, zouden ingenieurs kunnen helpen meer controle te krijgen over de assemblage van materialen die de gewenste eigenschappen van elk deeltje combineren, zoals fotoluminescentie, magnetisme en het vermogen om elektriciteit te geleiden.

“We ontwerpen nieuwe materialen die verschillende soorten functies combineren op manieren die niet mogelijk zijn met de materialen die we vandaag hebben”, zegt Sharon Glotzer, afdelingsvoorzitter van Anthony C. Lembke voor chemische technologie aan de Universiteit van Michigan en co-corresponderend auteur. van de studie gepubliceerd in Natuursynthese.

De composietstructuren zijn een soort binair nanokristal-superrooster en kunnen worden gebruikt voor elektronische apparaten, optische apparaten en energieproductie en -opslag.

“Door fotoluminescerende en magnetische nanodeeltjes te combineren, kun je bijvoorbeeld de kleur van een laser veranderen met behulp van een magnetisch veld”, zegt Emanuele Marino, co-eerste auteur van het artikel en voormalig postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Pennsylvania.

Ingenieurs creëren doorgaans binaire nanokristal-superroosters door bouwstenen van nanodeeltjes in een oplossing te mengen en een druppel van de oplossing te laten uitdrogen. Terwijl de druppel krimpt, combineren de deeltjes zich tot de gewenste superstructuren. Ingenieurs sloegen vervolgens met röntgenstralen op de kristallen om de resulterende nanokristalstructuren te zien. Elke kristalstructuur verstrooit röntgenstralen in een uniek patroon, dat dient als een vingerafdruk om de kristallen te identificeren.

Het was een wetenschappelijke uitdaging om te zien hoe deze kristallen zich in realtime assembleren, omdat ze zich te snel vormen voor de meeste röntgenverstrooiingstechnieken. Zonder de stappen te zien die naar de uiteindelijke structuur leiden, blijven wetenschappers gissen hoe hun nanokristalmengsels tot superstructuren leiden.

“Door uit te zoeken hoe deze materialen met elkaar reageren, kunnen we een uitgebreidere bibliotheek opbouwen van de structuren die ze kunnen vormen als ze worden gecombineerd”, zegt Christopher Murray, hoogleraar scheikunde aan de Richard Perry University aan de Universiteit van Pennsylvania en mede-corresponderend. auteur van de studie.

Het team creëerde de eerste realtime röntgenverstrooiingsmetingen van de superroosters door het assemblageproces te vertragen en snellere röntgenverstrooiingstechnieken te gebruiken met behulp van de National Synchrotron Light Source II in het Brookhaven National Laboratory in Upton, New York.

“De hoge röntgenflux en de snelle gegevensverzameling van de faciliteit zouden de snelheden kunnen bijhouden waarmee de kristallen zich vormden”, zegt Esther Tsai, stafwetenschapper aan het Brookhaven National Laboratory en co-auteur van het onderzoek.

Om de assemblage van roosters te vertragen, mengden de onderzoekers verschillende nanodeeltjes in een olie-emulsie – bijna zoals een magnetische saladedressing – en plaatsten de emulsie vervolgens in water. Het nanodeeltjesmengsel kromp naarmate de olie in het water diffundeerde, maar veel langzamer vergeleken met de conventionele luchtdroogmethode.

Na een eerste, snelle groeifase die maximaal vijf minuten duurt, komen de nanokristallen samen door gedurende drie tot vijf uur langzaam de laatste resterende olie te verdrijven.

Door de ontluikende kristallen te bekijken, kon het team van de Universiteit van Michigan de fysica afleiden die uitlegde hoe de roosters werden gevormd, en het proces modelleren met computersimulaties.

“Met temporele informatie uit experimenten kunnen we een voorspellend model construeren dat niet alleen de uiteindelijke structuur reproduceert, maar het gehele assemblagetraject van de structuur”, zegt Sharon Glotzer, voorzitter van de afdeling Chemical Engineering van Anthony C Lembke aan de Universiteit van Michigan en co- corresponderende auteur van het onderzoek.

Het team ontdekte dat de assemblage van binaire nanokristal-superroosters plaatsvindt door aantrekkingen over korte afstand tussen de bouwstenen van nanodeeltjes, ongeacht het gebruikte type nanodeeltje, en “bevestigde verder dat er geen tussenfasen werden gevormd vóór het uiteindelijke kristal, en dat het oppervlak van de emulsiedruppeltjes dat deed spelen geen rol bij de vorming van het kristal”, zegt Allen LaCour, voormalig doctoraalstudent chemische technologie aan de Universiteit van Michigan en mede-eerste auteur van het onderzoek.

Zonder andere verklarende factoren concludeerden de simulaties dat de sterkte van de nanokristalinteracties de belangrijkste factor is die de superroosterstructuur in de krimpende druppeltjes bepaalt. De interactiesterkte kan worden gewijzigd afhankelijk van de grootte en elektrische lading van de deeltjes, of door bepaalde elementen aan de deeltjes toe te voegen. De computermodellen van het UM-team kunnen de impact van die veranderingen simuleren.