I nanorod krystalvækst, nanopartikler set som kunstige atomer

I væksten af ​​krystaller, fungerer nanopartikler som "kunstige atomer", der danner molekylære byggesten, der kan samles til komplekse strukturer? Dette er påstanden i en stor, men kontroversiel teori til at forklare nanokrystalvækst. En undersøgelse foretaget af forskere ved DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) kan muligvis løse kontroversen og pege på vejen til fremtidens energienheder.

Anført af Haimei Zheng, en personaleforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division, forskerne brugte en kombination af transmissionselektronmikroskopi og avancerede væskecellehåndteringsteknikker til at udføre realtidsobservationer af væksten af ​​nanorods fra nanopartikler af platin og jern. Deres observationer understøtter teorien om nanopartikler, der fungerer som kunstige atomer under krystalvækst.

"Vi observerede, at efterhånden som nanopartikler bliver knyttet, danner de oprindeligt snoede polykrystallinske kæder, "Zheng siger." Disse kæder justeres til sidst og fastgøres ende-til-ende for at danne nanotråde, der retter sig og strækker sig til enkeltkrystal-nanoroder med forhold mellem længde og tykkelse op til 40:1. Denne nanokrystalvækstproces, hvorved nanopartikelkæder såvel som nanopartikler tjener som de grundlæggende byggesten til nanorods, er både smart og effektiv."

Zheng er den tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver denne forskning i tidsskriftet Videnskab . Papiret har titlen "Real-time Imaging of Pt3Fe Nanorod Growth in Solution." Medforfattere er Hong-Gang Liao, Likun Cui og Stephen Whitelam.

Hvis nanoteknologiens næsten grænseløse potentiale overhovedet skal tilnærmes, videnskabsmænd vil have brug for en meget bedre forståelse af, hvordan partikler i nanostørrelse kan samles i hierarkiske strukturer med stadigt stigende organisation og kompleksitet. En sådan forståelse kommer fra sporing af nanopartikelvækstbaner og bestemmelse af de kræfter, der styrer disse baner.

Gennem brug af transmissionselektronmikroskopi og væskeobservationsceller, forskere ved Berkeley Lab og andre steder har gjort betydelige fremskridt med at observere nanopartikelvækstbaner, herunder den orienterede vedhæftning af nanopartikler - det kemiske fænomen, der starter væksten af ​​nanokrystaller i opløsning. Imidlertid, disse observationer har typisk været begrænset til de første par minutter af krystalvækst. I deres undersøgelse, Zheng og hendes kolleger var i stand til at forlænge observationstiden fra minutter til timer.

"Nøglen til at studere væksten af ​​kolloide nanokrystaller med forskellige former og arkitekturer er at bevare væsken i visningsvinduet længe nok til at tillade fuldstændige reaktioner, " siger Zheng. "Vi opløste molekylære forstadier af platin og jern i et organisk opløsningsmiddel og brugte kapillartryk til at trække vækstopløsningen ind i en flydende siliciumnitridcelle, som vi forseglede med epoxy. Forseglingen af ​​cellen var især vigtig, da den hjalp med at forhindre væsken i at blive tyktflydende over tid. Tidligere, Vi så ofte, at væskerne blev tyktflydende, og det ville forhindre de nanopartikel-interaktioner, der driver krystalvækst, i at finde sted."

Zheng og hendes kolleger valgte at studere væksten af ​​platinjernanoroder på grund af det elektrokatalytiske materiales lovende potentiale for brug i næste generations energiomdannelses- og lagringsenheder. De var i stand til at observere disse nanopartikler samle sig til nanorod-krystaller ved hjælp af kraftfulde transmissionselektronmikroskoper ved Berkeley Labs National Center for Electron Microscopy, inklusive TEAM 0.5 (Transmission Electron Aberration-korrigeret mikroskop), som kan producere billeder med halv ångstrøm opløsning - mindre end diameteren af ​​et enkelt brintatom.

"Ud fra det, vi observerede, eksisterer kun enkelte nanopartikler i begyndelsen af ​​krystalvækst, men, efterhånden som væksten skrider frem, små kæder af nanopartikler bliver dominerende indtil, ultimativt, kun lange kæder af nanopartikler kan ses, " siger Zheng. "Vores observationer giver en forbindelse mellem verden af ​​enkelte molekyler og hierarkiske nanostrukturer, baner vejen for et rationelt design af nanomaterialer med kontrollerede egenskaber. "