Skinnende megakrystaller, der bygger sig selv

Et internationalt hold ledet af forskere fra Empa og ETH Zürich leger med formkonstruerede byggesten i nanoskala, der er op til 100 gange større end atomer og ioner. Og selvom disse nano "Lego klodser" interagerer med hinanden med kræfter, der er vidt forskellige og meget svagere end dem, der holder atomer og ioner sammen, de danner krystaller helt af sig selv, hvis strukturer ligner de naturlige mineralers. Disse nye megakrystaller eller supergitter, der er afbildet på forsiden af ​​det seneste nummer af Natur udviser unikke egenskaber såsom superfluorescens - og kan meget vel indlede en ny æra inden for materialevidenskab.

For virkelig at værdsætte, hvad et team af forskere ledet af Maksym Kovalenko og Maryna Bodnarchuk har opnået, det er bedst at starte med noget banalt:Krystaller af bordsalt (også kendt som stensalt) er velkendte for enhver, der nogensinde har været nødt til at krydre en åbenlyst intetsigende frokost. Natriumchlorid - NaCl i kemiske termer - er navnet på det nyttige kemikalie; den består af positivt ladede natriumioner (Na+) og negativt ladede chloridioner (Cl-). Du kan forestille dig ionerne som perler, der stærkt tiltrækker hinanden og danner tætpakkede og stive krystaller som dem, vi kan se i en saltshaker.

Mange naturligt forekommende mineraler består af ioner - positive metalioner og negative ioner, som arrangerer sig i forskellige krystalstrukturer afhængigt af deres relative størrelser. Ud over, der er strukturer som diamant og silicium:Disse krystaller består kun af én slags atomer - kulstof i tilfælde af diamant -, men, ligner mineraler, atomerne holdes også sammen af ​​stærke bindingskræfter.

Nye byggesten til en ny slags sag

Hvad hvis alle disse stærke bindingskræfter mellem atomer kunne elimineres? I atomernes rige, med al kvantemekanikken i spil, dette ville ikke give et molekyle eller et fast stof, i det mindste under omgivende forhold. "Men moderne kemi kan producere alternative byggesten, der faktisk kan have vidt forskellige interaktioner end dem mellem atomer, " siger Maksym Kovalenko, Empa-forsker og professor i kemi ved ETH Zürich. "De kan være lige så hårde som billardkugler i en forstand, at de kun mærker hinanden, når de kolliderer. Eller de kan være blødere på overfladerne, som tennisbolde. I øvrigt, de kan bygges i mange forskellige former:ikke kun kugler, men også terninger eller andre polyedre, eller flere anisotrope enheder."

Sådanne byggesten er lavet af hundreder eller tusinder af atomer og er kendt som uorganiske nanokrystaller. Kovalenkos team af kemikere hos Empa og ETH er i stand til at syntetisere dem i store mængder med en høj grad af ensartethed. Kovalenko og Bodnarchuk, og nogle af deres kolleger verden over, har arbejdet i omkring 20 år nu med den slags byggeklodser. Forskerne kalder dem "Lego-materialer", fordi de danner langtrækkende ordnede tætte gitter kendt som supergitter.

Det havde længe været spekuleret i, at blanding af forskellige slags nanokrystaller ville tillade konstruktionen af ​​helt nye supramolekylære strukturer. Det elektroniske, optiske eller magnetiske egenskaber af sådanne multikomponentsamlinger forventes at være en blanding af egenskaberne af de individuelle komponenter. I de første år, arbejdet havde fokuseret på at blande kugler af forskellige størrelser, resulterer i snesevis af forskellige supergitter med pakningsstrukturer, der efterligner almindelige krystalstrukturer, såsom bordsalt - dog med krystalenhedsceller ti til 100 gange større.

Med deres seneste artikel i Natur , holdet ledet af Kovalenko og Bodnarchuk formåede nu at udvide viden en hel del yderligere:De satte sig for at studere en blanding af forskellige former - kugler og terninger til at starte med. Denne tilsyneladende simple afvigelse fra mainstream førte straks til vidt forskellige observationer. I øvrigt, de valgte terninger, nemlig kolloide cæsium blyhalogenid perovskit nanokrystaller, er kendt som nogle af de mest lysstærke lysgivere, der er udviklet til dato, lige siden deres opfindelse af det samme hold for seks år siden. De supergitter, forskerne opnåede, er ikke kun ejendommelige, hvad angår deres struktur, men også med hensyn til nogle af deres egenskaber. I særdeleshed, de udviser superfluorescens - dvs. lyset bestråles på en kollektiv måde og meget hurtigere end de samme nanokrystaller kan udrette i deres konventionelle tilstand, indlejret i en væske eller et pulver.

Entropi som ordensmagt?

Ved blanding af kugler og terninger, der sker vidunderlige ting:Nanokrystallerne arrangerer sig selv til at danne strukturer, der er kendt fra mineralverdenen, såsom perovskitter eller stensalt. Alle disse strukturer, imidlertid, er 100 gange større end deres modstykker i konventionelle krystaller. Hvad mere er:En perovskit-lignende struktur var aldrig før blevet observeret i samlingen af ​​sådanne ikke-interagerende nanokrystaller.

Særligt nysgerrig:Disse højt ordnede strukturer er udelukkende skabt af entropiens kraft - dvs. naturens evige bestræbelse på at forårsage maksimal uorden. Hvilken perfekt joke af naturen! Denne paradoksale samling opstår fordi, under krystaldannelse, partiklerne har en tendens til at bruge rummet omkring dem mest effektivt for at maksimere deres bevægelsesfrihed under de sene stadier af opløsningsmiddelfordampning, før de "fryses" i deres eventuelle krystalgitterpositioner. I denne forbindelse formen af ​​de enkelte nanokrystaller spiller en afgørende rolle - bløde perovskit-terninger giver mulighed for en meget tættere pakning, end hvad der er opnåeligt i helt sfæriske blandinger. Dermed, entropiens kraft får nanokrystallerne til altid at placere sig i den tættest mulige pakning - så længe de er designet sådan, at de ikke tiltrækker eller frastøder hinanden på andre måder, såsom elektrostatik.

En ny videnskabs begyndelse

"Vi har set, at vi kan lave nye strukturer med høj pålidelighed, " siger Maksym Kovalenko. "Og dette rejser nu mange flere spørgsmål; vi er stadig helt ved begyndelsen:Hvilke fysiske egenskaber udviser sådanne svagt forbundne supergitter, og hvad er struktur-egenskabsforholdet? Kan de bruges til visse tekniske applikationer, sige, i optisk kvanteberegning eller i kvantebilleddannelse? Ifølge hvilke matematiske love danner de? Er de virkelig termodynamisk stabile eller kun kinetisk fanget?" Kovalenko leder nu efter teoretikere, der måske kan forudsige, hvad der endnu kan ske.

"Vi vil med tiden opdage helt nye klasser af krystaller, " han spekulerer, "dem, som der ikke findes naturlige modeller for. Så skal de måles, klassificeret og beskrevet." Efter at have skrevet det første kapitel i lærebogen for en ny form for kemi, Kovalenko er mere end klar til at levere sin andel for at få det til at ske så hurtigt som muligt. "Vi eksperimenterer nu med skive- og cylinderformede nanokrystallitter. Og vi er meget spændte på at se de nye strukturer, de muliggør, " han siger.