Krystallisation afklaret, rapporterer forskere

Forskere fra University of Illinois i Urbana-Champaign og Northwestern University har gjort det muligt at observere og simulere selvsamlingen af ​​krystallinske materialer med en meget højere opløsning end før.

Ved hjælp af computermodellering og en billeddannelsesteknik kaldet væskefaseelektronmikroskopi, holdet udpegede de individuelle bevægelser af små nanoskala partikler, mens de orienterer sig i krystalgitre. Arbejdet bekræfter, at syntetiske nanopartikler - de grundlæggende byggesten i mange syntetiske og biologiske materialer - kan samles på måder, der er langt mere komplekse end større partikler, sagde forskerne, og baner vejen for mere generelle anvendelser for mineralisering, lægemidler, optik og elektronik.

Den nye undersøgelse, ledet af Qian Chen, en professor i materialevidenskab og teknik ved U. of I., og Erik Luijten, en nordvestlig professor i materialevidenskab og teknik og i ingeniørvidenskab og anvendt matematik, er publiceret i tidsskriftet Naturmaterialer .

"Billeddannelse og modellering udføres rutinemæssigt for partikler omkring 1 mikrometer i størrelse, " sagde Luijten, der ledede beregningsmodelleringsdelen af ​​undersøgelsen. "Her, vi har nyudviklede teknikker, der kan gøre dette for partikler, der er 100 nanometer store - 10 gange mindre end før."

Fordi nanopartikler er meget små og interagerer i flydende opløsninger, at verificere deres krystallisationsveje gennem direkte observation var ikke muligt før væskefase elektronmikroskopi, sagde Chen, der ledede den eksperimentelle del af undersøgelsen.

Chens hold udførte laboratorieeksperimenter med små guldprismer i en væske, følger nøje med, mens partiklerne begyndte at interagere med hinanden.

"Partiklerne begynder at stable sig sammen og danne søjler, men de gør det på en forkert måde, før de til sidst pakkes tæt og krystalliserer til ordnede krystaller, " sagde Zihao Ou, en U. af I. kandidatstuderende og studiemedforfatter.

"Det, vi har observeret, er en mellemliggende amorf fase, der forekommer langs krystallisationsvejen for nanopartikler - noget, der ikke var vidne til før dette arbejde, " sagde Chen.

Imidlertid, der er detaljer om krystallisationsveje, som ikke kan måles ved billeddannelse alene, sagde forskerne.

"Vores computersimuleringer, udviklet af Northwestern University kandidatstuderende Ziwei Wang, tillade os at sortere detaljerne i de grundlæggende drivkræfter bag nanopartikelbevægelse og krystallisering, " sagde Luijten. "Det viser sig, at tilfældighed i orienteringen af ​​partiklerne fører til en anden type krystallisation på større skalaer. Det er en idé, der blev foreslået af de eksperimentelle data, men det krævede virkelig simuleringer for at bekræfte dette princip."

Forskerne forestiller sig en bred vifte af anvendelser for denne udvikling, fra at forstå, hvordan proteiner samler sig selv til nanoskala-fysikken bag nye batterimaterialer, for eksempel.

"Forskere ønsker at vide, hvordan man kontrollerer syntesen af ​​krystallinske materialer, så de kan konstruere nye materialer, " sagde Binbin Luo, en U. af I. kandidatstuderende og studiemedforfatter. "At forstå præcis, hvordan denne proces sker, er afgørende for denne kontrol."