Forskere afslører hemmeligheden bag nanopartikelkrystallisering i realtid

(PhysOrg.com) -- Et samarbejde mellem Advanced Photon Source og Center for Nanoscale Materials ved Argonne National Laboratory har "set" krystalliseringen af ​​nanopartikler i hidtil uset detalje.

"Nanovidenskab er et varmt emne lige nu, og folk forsøger at skabe selvsamlede nanopartikel-arrays til data- og hukommelseslagring, ” Sagde assistentfysiker Zhang Jiang i Argonne. "I disse enheder, graden af ​​bestilling er en vigtig faktor.”

For at kalde en bestemt bit data frem, det er ideelt at gemme information på et todimensionalt krystalgitter med veldefinerede grafiske koordinater. For eksempel, hver bit information af en sang gemt på en harddisk skal gemmes på bestemte steder, så det kan hentes senere. Imidlertid, i de fleste tilfælde, defekter er iboende i nanopartikelkrystalgitter.

"Defekter i et gitter er som huller på en vej, ” sagde Argonne-fysiker Jin Wang. "Når du kører på motorvejen, du vil gerne vide, om det bliver en jævn tur, eller om du bliver nødt til at zigzagge for at undgå et fladt dæk. Også, du vil vide, hvordan hullerne dannes i første omgang, så vi kan fjerne dem."

Det har været umuligt at kontrollere graden af ​​bestilling i nanopartikelarrays. Antallet af nanopartikler, som en kemiker kan lave i et lille volumen, er forbløffende stort.

"Vi kan rutinemæssigt producere 10 ¹⁴ partikler i nogle få dråber opløsning. Det er mere end antallet af stjerner i Mælkevejsgalaksen, ” Argonne nanoforsker Xiao-Min Lin. "At finde betingelser, under hvilke nanopartikler kan samle sig selv til et krystalgitter med et lavt antal defekter, er ret udfordrende."

Fordi nanopartikler er så små, det er ikke nemt at se, hvor ordnet gitteret er under selvmonteringsprocessen. Elektronmikroskopi kan se individuelle nanopartikler, men synsfeltet er for lille til, at forskere kan få et "stort billede" af, hvordan rækkefølgen er i makroskopisk længdeskala. Det virker heller ikke til våde løsninger.

"Med lokal bestilling, man kan ikke antage, at den samme orden eksisterer i hele strukturen; det er som at se et stykke vej og antage, at det er lige og godt konstrueret helt til enden, " sagde Wang.

Den samme gruppe forskere ved Argonne, sammen med deres samarbejdspartnere ved University of Chicago, opdagede, at under de rigtige forhold, nanopartikler kan flyde ved en væske-luft-grænseflade af en udtørrende væskedråbe og blive selvorganiserede.

Dette tillader den todimensionelle krystallisationsproces at finde sted over en meget længere tidsskala. "Man forventer typisk ikke, at metalliske partikler flyder. Det er som at kaste sten i en dam og forvente, at de flyder på overfladen, " sagde Lin. "Men i nanoverdenen, ting opfører sig anderledes."

Brug af røntgenspredning i høj opløsning ved den avancerede fotonkilde (APS), Jiang og de andre undersøgte krystallisationsprocessen i hidtil uset detaljer, som den dannes i realtid. De opdagede, at nanopartikel-arrays dannet ved væske-luft-grænsefladen kan gå ind i et regime af en meget krystallinsk fase defineret i den klassiske todimensionelle krystalteori. Først når opløsningsmidlet begynder at tørre fra overfladen, begynder defekter og uorden at dukke op.

"Vi kan undersøge hele den makroskopiske prøve og overvåge, hvad der sker i realtid, sagde Jiang. "Dette giver os mulighed for at forstå, hvilke parametre der er vigtige for at kontrollere selvsamlingsprocessen."

Med dette niveau af forståelse, forskerne håber, at en dag som iPod Nano kan laves af nanopartikler.

En artikel om denne forskning blev offentliggjort i Nano bogstaver .