Hoe groeien nanodeeltjes? Film op atoomschaal zet 100 jaar oude theorie op zijn kop

Decennia lang heeft een leerboekproces dat bekend staat als ‘Ostwald-rijping’, genoemd naar de Nobelprijswinnende chemicus Wilhelm Ostwald, geleid tot het ontwerp van nieuwe materialen, waaronder nanodeeltjes – kleine materialen die zo klein zijn dat ze onzichtbaar zijn voor het blote oog.

Volgens deze theorie lossen kleine deeltjes op en zetten ze opnieuw af op het oppervlak van grote deeltjes, en de grote deeltjes blijven groeien totdat alle kleine deeltjes zijn opgelost.

Maar nu onthullen nieuwe videobeelden die zijn vastgelegd door wetenschappers van Berkeley Lab dat de groei van nanodeeltjes niet wordt gestuurd door verschil in grootte, maar door defecten.

De wetenschappers rapporteerden onlangs hun bevindingen in het tijdschrift Natuurcommunicatie.

“Dit is een enorme mijlpaal. We zijn de scheikunde van het leerboek aan het herschrijven, en het is heel spannend”, zegt senior auteur Haimei Zheng, een senior wetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en een adjunct-professor materiaalwetenschappen en engineering aan UC Berkeley.

Voor het onderzoek hebben de onderzoekers een oplossing van cadmiumsulfide (CdS) nanodeeltjes met cadmiumchloride (CdCl₂) en waterstofchloride (HCl) in een aangepaste houder voor vloeibare monsters. De onderzoekers belichtten de oplossing met een elektronenstraal om Cd-CdCl . te produceren₂ core-shell nanodeeltjes (CSNP’s) – die eruitzien als platte, zeshoekige schijven – waar cadmiumatomen de kern vormen en cadmiumchloride de schaal vormt.

Met behulp van een techniek genaamd vloeibare celtransmissie-elektronenmicroscopie (LC-TEM) met hoge resolutie bij de Molecular Foundry, legden de onderzoekers realtime LC-TEM-video’s op atomaire schaal vast van Cd-CdCl₂ CSNP’s rijpen in oplossing.

In één sleutelexperiment toont een LC-TEM-video een kleine Cd-CdCl₂ core-shell nanodeeltjes fuseren met een grote Cd-CdCl₂ CSNP om een ​​grotere Cd-CdCl . te vormen₂ CSNP. De groeirichting werd echter niet bepaald door een verschil in grootte, maar door een scheurdefect in de schaal van de aanvankelijk grotere CSNP. “De bevinding was zeer onverwacht, maar we zijn erg blij met de resultaten”, zegt Qiubo Zhang, eerste auteur en postdoctoraal onderzoeker in de Materials Sciences Division.

De onderzoekers zeggen dat hun werk de LC-TEM-video met de hoogste resolutie is die ooit is opgenomen. De vooruitgang – in realtime volgen hoe nanodeeltjes in oplossing rijpen – werd mogelijk gemaakt door een op maat gemaakte, ultradunne “vloeibare cel” die een kleine hoeveelheid vloeistof tussen twee koolstoffilmmembranen op een koperen rooster vastzet. De onderzoekers observeerden het vloeistofmonster via ThemIS, een gespecialiseerde elektronenmicroscoop bij de Molecular Foundry die in staat is om atomaire veranderingen in vloeistoffen vast te leggen met een snelheid van 40-400 frames per seconde. De hoogvacuümomgeving van de microscoop houdt het vloeibare monster intact.

“Onze studie vult de leemte op voor transformaties van nanomaterialen die niet kunnen worden voorspeld door de traditionele theorie.” Zheng, die in 2009 pionierde met LC-TEM in Berkeley Lab en een toonaangevende expert in het veld is. “Ik hoop dat ons werk anderen inspireert om nieuwe regels te bedenken voor het ontwerpen van functionele nanomaterialen voor nieuwe toepassingen.”