Placering er vigtig i selvsamling af nanokluster

Forskere ved Iowa State University har udviklet en ny formulering, der hjælper med at forklare selvsamling af atomer til nanoklynger og fremme den videnskabelige forståelse af beslægtede nanoteknologier. Deres forskning tilbyder en teoretisk ramme til at forklare forholdet mellem fordelingen af ​​"capture zones, "de områder, der omgiver nanoskala" øerne "dannet ved aflejring på overflader, og den underliggende nukleations- eller dannelsesproces.

Nanoteknologi involverer videnskab og teknik på størrelse med et nanometer, eller en milliarddel af en meter. Det har været centralt for udviklingen af ​​innovationer som tyndfilm solpaneler, forbedrede batterier og billigere sensorer.

Selvsamling af atomer til nanokluster er et emne af betydelig interesse for nanoteknologer, fordi det giver mulighed for at skabe nanostrukturerede systemer med forbedret magnetisk, katalytiske og plasmoniske egenskaber, der har mange industrielle anvendelser.

"Hvis du har evnen til at kontrollere disse selvsamlingsprocesser for at styre morfologien og den rumlige indretning af disse nanostrukturer, så kan du forbedre de ejendomme, du er interesseret i, "sagde James W. Evans, professor i fysik ved Iowa State University.

Evans og hans team, som blev finansieret af National Science Foundation, detaljer deres tilgang i denne uge i Journal of Chemical Physics .

Mens det naturvidenskabelige samfund tidligere havde overvejet størrelsesfordelingen af ​​kernehærede øer under selvsamling af deponerede atomer, nyere diskussion har været centreret omkring fordelingen af ​​øernes fangstzoner. Evans og hans samarbejdspartnere fokuserede på at skabe et teoretisk grundlag for at forstå, hvordan små fangstzoner udvikler sig. Deres udvikling har vigtige konsekvenser for at bestemme størrelsen, som en kerneformet ø skal nå for at blive stabil. Deres analyse kombinerer hastighedsligninger med elementer af stokastisk geometri.

En af flere væsentlige indsigter, der kom frem fra deres forskning, var betydningen af ​​den rumlige placering af kernehændelser i forhold til eksisterende indfangningszoner og øer i dannelsen af ​​nye, mindre indfangningszoner.

"Hvis du kerner lige midt på en trilling af øer, der er meget tættere på hinanden, end hvad der er typisk, fangstzonen på den nye ø, der er skabt, er meget mindre end gennemsnitsstørrelsen, "Evans sagde. For at understrege dette forhold om, hvordan størrelsen af ​​indfangningszoner og deres resulterende fordeling kan blive påvirket af nukleation, deres arbejde viser forholdet mellem, hvordan størrelsen af ​​indfangningszoner og deres resulterende fordeling kan blive påvirket af nukleation.

Evans og hans team inkluderede en teoretisk undersøgelse af capture zone distribution (CZD) af kompakte øer, herunder en afledning af en ligning for skaleringsfunktionen for capture zone distributionen. Ud over de teoretiske resultater, forfatterne inkluderede simuleringsresultater ved hjælp af Kinetic Monte Carlo til at bekræfte forudsigelserne om øens fordeling og skaleringsadfærd, opnå generelt god overensstemmelse mellem teoretiske og numeriske resultater. Formuleringerne fra Evans og medarbejdere fremhæver vigtigheden af ​​subtile rumlige detaljer om kernedannelsesprocessen, og specifikt af relaterede størrelser, såsom sandsynligheden for iboende overlapning og fraktioneret overlapningsfordeling. Disse mængder har tidligere haft begrænset opmærksomhed, men deres detaljerede form er vigtig, da den påvirker CZD's.

En af udfordringerne ved denne forskning er, at den er centreret om et system, der er langt fra ligevægt, hvilket trodser mange af de konventionelle analysemetoder, der anvendes af fysiske forskere.

"Det faktum, at dette er et langt fra ligevægtssystem, betyder, at der ikke er standardteoretiske værktøjer, som du kan anvende til at analysere processen, "forklarede Evans.

Stadig, med omfattende simuleringer, der afspejler aflejringsforsøg, der typisk udføres i ultrahøje vakuumkamre, Evans og hans team har formået at udvikle en ramme til at forklare, hvordan mindre fangstzoner genereres. Forskerne håber, at deres arbejde tilskynder andre forskere til også at undersøge spørgsmålet om inddeling af zoneinddelinger, fordi den genererede indsigt vil fremme det bredere videnskabelige samfunds forståelse af, hvordan nanoklynger samles.