Lasers en gouden nanodeeltjes maken on-demand kristalgroei voor nieuwe materialen mogelijk

Onderzoekers van de Michigan State University hebben ontdekt hoe ze op verzoek de kristallen kunnen ’trekken’ die in veel cruciale technologieën worden gebruikt, van zonnepanelen en LED-verlichting tot medische beeldvorming.

Verschijnt in het journaal ACS Nanowerd de doorbraak bereikt door gouden nanodeeltjes te raken met een enkele laserpuls.

“We beginnen nog maar net aan de oppervlakte te komen van wat mogelijk is. Dit opent een nieuw hoofdstuk in de manier waarop we materialen ontwerpen en bestuderen”, zegt Elad Harel, universitair hoofddocent bij de afdeling Scheikunde en senior auteur van het onderzoek.

Neem de tijd om rond te kijken en je zult een wereld vinden die op kristallen draait. Van rookmelders en televisieschermen tot echografieën en sonar: de unieke optische en elektrische eigenschappen van deze chemische structuren zorgen ervoor dat ze toonaangevend zijn op het gebied van de meeste innovaties.

Het kweken van kristallen is echter niet eenvoudig.

“Bij gebruik van traditionele kweekmethoden kunnen zich op willekeurige tijdstippen en locaties kristallen vormen, dus de resultaten zijn mogelijk niet altijd hetzelfde”, aldus Harel.

Naarmate technologieën en materialen snel verbeteren, zijn ze ervan afhankelijk dat kristallen van uitzonderlijke kwaliteit op precies de juiste plek worden geplaatst, dus dit gebrek aan controle is een groot obstakel voor onderzoekers.

Om deze uitdaging aan te gaan, wendde Harel zich tot de specialiteit van zijn laboratorium: lasers, en in het bijzonder snelle lasers.

Bij MSU gebruikt Harel korte laserpulsen om licht te werpen op de mysteries van de natuurlijke wereld. Dit omvat onder meer een recente doorbraak waarbij gebruik werd gemaakt van ultrasnelle lasers om daadwerkelijk “hoor biologie.”

In de nieuwe publicatie probeerden de onderzoekers soorten kristallen te kweken die loodhalide-perovskieten worden genoemd. Deze kristallen zijn cruciaal voor LED’s, zonnecellen en medische beeldvorming.

In plaats van de typische ingewikkelde stappen van kristalgroei te doorlopen of zelfs maar een klein ‘zaadkristal’ te gebruiken om het proces een vliegende start te geven, richtte het team van Harel hun lasers op een klein glinsterend doelwit: gouden nanodeeltjes minder dan een duizendste van de breedte van een mensenhaar.

De wetenschappers onthulden dat deze deeltjes warmte genereerden op de plek waar het laserlicht insloeg, en dat deze interactie tot kristallisatie leidde. Met behulp van speciale, snelle microscopen konden ze het proces zelfs in realtime zien verlopen.

Net als een laser die wordt gebruikt om kunstwerken in metaal of hout te graveren, biedt dit soort kristalcreatie onderzoekers de mogelijkheid om kristallen te ’tekenen’ met controleniveaus die velden kunnen transformeren variërend van schone energie tot kwantumtechnologieën. De bevindingen helpen ook ons ​​begrip te vergroten van hoe kristallen ontstaan ​​– een notoir lastig gebied van de chemie.

“Met deze methode kunnen we in wezen kristallen op precieze locaties en tijden laten groeien”, zegt Dr. Md Shahjahan, onderzoeksmedewerker bij MSU en eerste auteur van het artikel. “Het is alsof je op de eerste rij zit en de allereerste momenten van het leven van een kristal onder een microscoop bekijkt. Alleen hier kunnen we ook sturen hoe het zich ontwikkelt.”

Nu hun gouden nanodeeltjes in de schijnwerpers staan, gaat het team van Elad terug naar het laboratorium voor toekomstige experimenten met een groot potentieel.

Deze omvatten het gebruik van meerdere lasers van verschillende kleuren om nog ingewikkelder kristalpatronen te “tekenen” en het proberen geheel nieuwe materialen te creëren die niet met conventionele methoden kunnen worden gemaakt.

“Nu we kristallen kunnen ’tekenen’ met lasers, is de volgende stap het maken van grotere en complexere patronen en het testen van hoe deze kristallen presteren in echte apparaten, ‘zei Harel.