Röntgenonderzoek onthult hoe loodsulfidedeeltjes zichzelf in realtime organiseren

De structuur die wordt aangenomen door loodsulfide-nanodeeltjes verandert verrassend vaak als ze samenkomen om geordende superroosters te vormen. Dat blijkt uit een experimenteel onderzoek dat is uitgevoerd bij DESY’s röntgenbron PETRA III. Een team onder leiding van de DESY-wetenschappers Irina Lokteva en Felix Lehmkühler, van de Coherent X-ray Scattering-groep onder leiding van Gerhard Grübel, heeft de zelforganisatie van deze halfgeleider-nanodeeltjes in realtime waargenomen. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Chemie van materialen. De studie helpt om de zelfassemblage van nanodeeltjes beter te begrijpen, wat kan leiden tot aanzienlijk verschillende structuren.

Loodsulfide-nanodeeltjes worden onder meer gebruikt in fotovoltaïsche cellen, lichtgevende dioden en andere elektronische apparaten. In de studie onderzocht het team de manier waarop de deeltjes zichzelf organiseren om een ​​sterk geordende film te vormen. Dat deden ze door een druppel vloeistof (25 miljoenste van een liter) met de nanodeeltjes in een kleine cel te plaatsen en het oplosmiddel in de loop van twee uur langzaam te laten verdampen. De wetenschappers gebruikten vervolgens een röntgenstraal op de P10-bundellijn om in realtime te observeren welke structuur de deeltjes tijdens de assemblage vormden.

Tot hun verbazing veranderde de structuur die door de deeltjes werd aangenomen tijdens het proces verschillende keren. “Eerst zien we dat de nanodeeltjes een hexagonale symmetrie vormen, wat leidt tot een vaste nanodeeltjes met een hexagonale roosterstructuur”, meldt Lokteva. “Maar dan verandert het superrooster plotseling en vertoont het een kubische symmetrie. Terwijl het verder droogt, maakt de structuur nog twee overgangen, en wordt een superrooster met tetragonale symmetrie en uiteindelijk één met een andere kubieke symmetrie.” Deze reeks is nog nooit zo gedetailleerd onthuld.

Het team suggereert dat de hexagonale structuur (hexagonal close-packed, HCP) blijft bestaan ​​zolang het oppervlak van de deeltjes door het oplosmiddel gezwollen is. Zodra de film een ​​beetje droogt, verandert de interne structuur in een kubische symmetrie (body-centered cubic, BCC). Er blijven echter nog resten van het oplosmiddel achter tussen de afzonderlijke nanodeeltjes in de film. Terwijl dit verdampt, verandert de structuur nog twee keer (lichaamsgecentreerde tetragonale BCT en gezichtsgecentreerde kubieke FCC).

De uiteindelijke structuur van de film hangt af van een aantal verschillende factoren, legt Lokteva uit. Ze omvatten het type oplosmiddel en hoe snel het verdampt, de grootte en concentratie van de nanodeeltjes, maar ook de aard van de zogenaamde liganden die de deeltjes omringen en hun dichtheid. Wetenschappers gebruiken de term ligand om bepaalde moleculen te beschrijven die aan het oppervlak van nanodeeltjes binden en voorkomen dat ze agglomereren. In de studie gebruikte het team hiervoor oliezuur; de moleculen bedekken de deeltjes, net als de was die voorkomt dat gummyberen in een zak aan elkaar blijven kleven. Dit is een goed ingeburgerd proces in nanotechnologie.

“Ons onderzoek geeft aan dat de uiteindelijke structuur van het superrooster ook afhangt van het feit of de individuele nanodeeltjes zijn omgeven door veel of weinig oliezuurmoleculen”, meldt Lokteva. “In een eerdere studie kregen we films met een BCC/BCT-kristalstructuur wanneer de liganddichtheid hoog was. Hier hebben we specifiek gekeken naar nanodeeltjes met een lage liganddichtheid, en dit leidde tot een FCC-structuur. Dus bij gebruik van nanodeeltjes, de liganddichtheid zou moeten worden bepaald, wat op dit moment geen standaardpraktijk is”, legt de DESY-wetenschapper uit.

Deze observaties zijn ook belangrijk als het om andere materialen gaat, benadrukt het team. “Loodsulfide is een interessant modelsysteem dat ons helpt om de algemene mechanismen waarmee nanodeeltjes zichzelf assembleren beter te begrijpen”, legt Lokteva uit. “De natuur kan nanostructuren voorzien van verschillende interessante eigenschappen via het fenomeen van zelfassemblage, en we hebben nu de tools om over de schouder van de natuur te kijken terwijl deze deze structuren construeert.”