Eerste real-time glimp van nanodeeltjes die zichzelf assembleren tot kristallen

Voor de allereerste keer hebben onderzoekers het fascinerende proces van nanodeeltjes die zichzelf assembleren tot vaste materialen gadegeslagen. In de verbluffende nieuwe video’s regenen deeltjes naar beneden, tuimelen over trappen en glijden rond voordat ze uiteindelijk op hun plaats klikken om de kenmerkende gestapelde lagen van een kristal te vormen.

Onder leiding van Northwestern University en de University of Illinois, Urbana-Champaign, zegt het onderzoeksteam dat deze nieuwe inzichten kunnen worden gebruikt om nieuwe materialen te ontwerpen, waaronder dunne films voor elektronische toepassingen.

Het onderzoek wordt op 30 maart gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie.

Door de onderzoekers beschreven als een “experimenteel hoogstandje”, gebruikte de studie een nieuw geoptimaliseerde vorm van vloeistoffasetransmissie-elektronenmicroscopie (TEM) om ongekende inzichten te krijgen in het zelfassemblageproces. Vóór dit werk hebben onderzoekers microscopie gebruikt om te zien hoe colloïden ter grootte van een micron – die 10 tot 100 keer groter zijn dan nanodeeltjes – zichzelf assembleren tot kristallen. Ze hebben ook röntgenkristallografie of elektronenmicroscopie gebruikt om enkele lagen atomen in een kristallijn rooster te visualiseren. Maar ze waren niet in staat om atomen afzonderlijk op hun plaats te zien bewegen.

“We weten dat atomen een soortgelijk schema gebruiken om kristallen te vormen, maar we hebben het werkelijke groeiproces nooit gezien”, zegt Erik Luijten van Northwestern, die het theoretische en computationele werk leidde om de waarnemingen uit te leggen. “Nu zien we het vlak voor onze ogen samenkomen. Door nanodeeltjes te bekijken, kijken we naar deeltjes die groter zijn dan atomen, maar kleiner dan colloïden. We hebben dus het hele spectrum van lengteschalen voltooid. We vullen de ontbrekende lengte.”

“Eerder loste ons team het mysterie van nucleatie op, namelijk hoe de embryo’s van kristallen bestaande uit tientallen nanodeeltjes worden gevormd, die een niet-klassiek pad in oplossing volgen”, zei Qian Chen uit Illinois, die het experimentele werk leidde. “Met recente vorderingen in TEM in vloeibare fase en datawetenschap, zijn we in dit werk nu in staat om bewegingen van duizenden nanodeeltjes in de loop van de tijd vast te leggen en te volgen. Deze nanodeeltjes wiebelen in oplossing en groeien uit tot kristallen van verschillende morfologieën zoals polyhedrale of bruidstaart .”

Luijten is hoogleraar materiaalkunde en -techniek aan de Northwestern’s McCormick School of Engineering, waar hij ook associate decaan is. Chen is universitair hoofddocent materiaalkunde en -techniek in Illinois.

De meeste mensen zijn bekend met kristallen in de vorm van zout, suiker, sneeuwvlokken en sprankelende edelstenen, zoals diamanten. Hoewel kristallisatie een alomtegenwoordig fenomeen is, is de exacte vorm van kristallen een mysterie gebleven. De bouwstenen – atomen, moleculen of ionen – die kristallijne materialen vormen, zijn zeer geordend en vormen roosters van bouwstenen op gelijke afstand van elkaar. Deze roosters worden vervolgens op elkaar gestapeld om een ​​driedimensionaal vast materiaal te vormen.

“Het stapelen van atomen in regelmatige arrangementen is de reden dat kristallen gladde, platte vlakken hebben”, zei Luijten. “Daarom breken ze langs rechte randen.”

Tot nu toe hebben onderzoekers kristallisatie bestudeerd door veel grotere deeltjes, colloïden genaamd, te onderzoeken. Maar kijken hoe colloïden zichzelf in kristallen schikken, gaf geen inzicht in hoe atomen zich gedragen. Terwijl kristallen platte, uniforme oppervlakken hebben, hebben kristallijne structuren gemaakt van colloïden van micron-grootte de neiging om niet-uniforme, ruwe oppervlakken aan te nemen.

“Colloïden zijn zoveel groter dan atomen dat het twijfelachtig is dat ze dezelfde stappen volgen bij het kristalliseren,” zei Luijten. “Dus ze leren ons niet wat atomen doen. De analogie van colloïden met atomen gaat niet echt op.”

Om dieper inzicht te krijgen in het kristallisatieproces, wendden Luijten, Chen en hun teams zich tot nanodeeltjes. Recente vorderingen om TEM in de vloeibare fase te verbeteren, hebben het mogelijk gemaakt om nanodeeltjes in realtime te bekijken terwijl ze vaste materialen vormen. Het team van Chen besteedde jaren aan het optimaliseren van het proces om ervoor te zorgen dat de elektronenstraal de deeltjes kon zien zonder ze te beschadigen. In de nieuwe studie gebruikten de onderzoekers verschillend gevormde nanodeeltjes – kubussen, bollen en ingesprongen kubussen – om te onderzoeken hoe vorm gedrag beïnvloedt.

De onderzoekers visualiseerden eerst kristalvorming met geavanceerde computersimulaties, die werden uitgevoerd door Noordwest-afgestudeerde studenten Ziwei Wang en Garrett Watson, evenals postdoctoraal collega Tine Curk. Vervolgens voerden ze experimenten uit met TEM in vloeibare fase om te zien hoe de nanodeeltjes zichzelf in realtime assembleren. In de experimenten merkten de onderzoekers dat de deeltjes tegen elkaar botsten en aan elkaar plakten om lagen te vormen. Vervolgens vormden de deeltjes, om de laag-voor-laag kristallijne structuur te vormen, eerst een horizontale laag en vervolgens verticaal gestapeld. Soms lieten de deeltjes, nadat ze aan elkaar waren geplakt, even los om op een onderliggende laag te vallen.

“Ze rennen door en aarzelen dan aan de rand voordat ze vallen”, zei Luijten. “Het is als een duiker die aarzelt aan de rand van een duikplank. Ik kan niet geloven dat we dit echt kunnen zien. We hebben nog nooit het daadwerkelijke groeiproces gezien – alleen het resultaat.”

Luijten zei dat deze informatie ingenieurs zal helpen bij het ontwerpen van nieuwe materialen. Het inzicht zou met name kunnen helpen bij het ontwerpen van dunne-filmmaterialen, die vaak worden gebruikt om flexibele elektronica, lichtgevende diodes, transistors en zonnecellen te bouwen.

“Als we weten hoe deeltjes samenkomen, kunnen we de vorm van een oppervlak beheersen”, zei Luijten. “Wil je een vlak of ruw oppervlak? Veranderende deeltjesvorm of hoe snel de deeltjes vallen, kan het oppervlak beïnvloeden.”