Nanoengineering integreert kristallen die normaal niet met elkaar overweg kunnen

Een team van onderzoekers van de University of Pennsylvania en de University of Michigan heeft een blauwdruk ontwikkeld voor het ontwerpen van nieuwe materialen met behulp van moeilijke combinaties van nanokristallen.

Het werk zou kunnen leiden tot verbeteringen in nanokristallen die al worden gebruikt in displays, medische beeldvorming en diagnostiek, en nieuwe materialen mogelijk maken met voorheen onmogelijke eigenschappen.

Onderzoekers kunnen materialen maken met nieuwe en interessante eigenschappen door nanokristallen van verschillende samenstellingen, maten en vormen samen te brengen. De uitdaging is om dat op een georganiseerde manier te doen. Nu hebben het team van Penn en UM een strategie ontwikkeld die de beschikbare nanodeeltjes verkent en uitzoekt hoe ze aan elkaar kunnen worden geplakt.

“Het is een van die problemen waarbij ‘like likes like'”, zei de recente Ph.D. afgestudeerd Katherine Elbert, die deze studie leidde terwijl ze werkte in het laboratorium van Chris Murray, een Penn Integrates Knowledge (PIK) professor in materiaalwetenschap en techniek.

Deze neiging betekent dat de verschillende soorten nanokristallen zich vaak van elkaar scheiden en ongeordende klodders vormen in plaats van geïntegreerde, geordende vaste stoffen.

“Hier proberen we die barrière te overwinnen en materialen te maken waarin de nanokristallen precies zijn gekoppeld aan hun buren om hun eigenschappen te hybridiseren,” zei Elbert.

Computermodellering door de groep van Sharon Glotzer, de John W. Cahn Distinguished University Professor of Engineering aan de UM, toonde een manier aan om deze barrière te omzeilen door de nanodeeltjes te coaten met moleculen die van vorm veranderen voor zover het naburige nanodeeltjes betreft.

“We kunnen die subtiele veranderingen gebruiken om assemblage te stimuleren in plaats van segregatie”, zegt Thi Vo, UM-onderzoeker in chemische technologie.

Een van de grootste uitdagingen op het gebied van onderzoek is het enorme aantal en de soorten nanokristallen – met enorme bibliotheken van nanokristallen met verschillende chemische formules, maten en vormen.

“Elke ‘steen’ precies op de juiste plaats plaatsen zou onoverkomelijk zijn,” zei Murray. “Maar als je de regels kunt vinden waarmee de natuur nanokristallen wil assembleren, en je weet hoe je de omstandigheden en het precieze ontwerp van blokken kunt optimaliseren, heb je nu die blauwdruk voor het maken van verschillende klassen materialen.”

De groep van Glotzer kamde door de bibliotheek van deeltjes die de groep van Murray kon maken, waarbij interacties tussen paren nanokristallen werden gemodelleerd om te zien hoe ze zichzelf zouden kunnen assembleren tot verschillende gewenste structuren. De computationele studie adviseerde maten, vormen, materiaalsoorten en chemische omgevingen voor vervolgexperimenten in het laboratorium.

De onderzoekers concentreerden zich in dit onderzoek op twee klassen nanokristallen met enorm verschillende samenstellingen, afmetingen en structuren: een met interessante optische eigenschappen en de andere met bruikbare elektrische eigenschappen. Meestal houden ze niet van mengen. Maar als ze dat zouden doen, zouden we ze mogelijk kunnen combineren om onder meer zonnecellen te maken die infrarood licht efficiënter kunnen omzetten in elektriciteit.

Toen het team de oppervlakteafmetingen en vormen van de nanokristallen nauwkeurig controleerde met die coatingmoleculen, zodat de juiste combinaties van kristallen elkaar zouden aantrekken, waren ze in staat om geïntegreerde structuren te creëren. Deze resultaten kunnen met slechts kleine aanpassingen worden toegepast op andere soorten materialen.

“Door componenten op nanoschaal te bouwen en ze onder een universele reeks omstandigheden te organiseren, kunnen we materiaaleigenschappen krijgen die niet naast elkaar bestaan ​​​​of buitengewoon moeilijk samen te brengen zijn. Nu hebben we een strategie om de nanokristallen te koppelen en overlappen,” Murray zei.

het papier binnen wetenschappelijke vooruitgang is getiteld “Anisotrope nanokristalvorm en ligandontwerp voor co-assemblage.”