Første direkte observation af orienteret vedhæftning i nanokrystalvækst

Berkeley Lab-forskere har rapporteret den første direkte observation af nanopartikler, der gennemgår orienteret vedhæftning, det kritiske trin i biomineralisering og væksten af ​​nanokrystaller. En bedre forståelse af orienteret vedhæftning i nanopartikler er en nøgle til at syntetisere nye materialer med bemærkelsesværdige strukturelle egenskaber.

Gennem biomineralisering, naturen er i stand til at producere sådanne tekniske vidundere som perlemor, eller Nacre, den indvendige foring af abaloneskaller, der er kendt for både sin iriserende skønhed og fantastiske sejhed. Nøglen til biomineralisering er fænomenet kendt som "orienteret tilknytning, "hvorved tilstødende nanopartikler forbinder hinanden i en fælles krystallografisk orientering. Mens vigtigheden af ​​orienteret tilknytning til biominerale egenskaber længe er blevet erkendt, mekanismen, hvorved det opstår, er forblevet et mysterium. Med en bedre forståelse af orienteret vedhæftning skulle det være muligt at syntetisere nye materialer med bemærkelsesværdige strukturelle egenskaber. Til det formål, et team af forskere fra det amerikanske energiministerium (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har rapporteret den første direkte observation af, hvad de har kaldt "spring-til-kontakt, "det kritiske trin i orienteret tilknytning.

"Den direkte observation af de translationelle og rotationsaccelerationer forbundet med spring-til-kontakt mellem nanopartikler gjorde det muligt for os at beregne de kræfter, der driver orienteret tilknytning, " sagde Jim DeYoreo, en videnskabsmand fra Molecular Foundry, et DOE nanoscience center ved Berkeley Lab, hvor denne forskning fandt sted. "Dette giver os et grundlag for at teste modeller og simuleringer, der kan åbne døren for at bruge orienteret vedhæftning ved syntesen af ​​unikke nye materialer."

DeYoreo er den tilsvarende forfatter til et papir i tidsskriftet Videnskab der beskriver denne forskning med titlen "Retningsspecifikke interaktioner kontrollerer krystalvækst ved orienteret tilknytning." Medforfatter til dette papir var Dongsheng Li, Michael Nielsen, Jonathan Lee, Cathrine Frandsen og Jillian Banfield.

Lige siden en undersøgelse i 2000 ledet af medforfatter Banfield afslørede eksistensen af ​​nanopartikel-orienteret tilknytning, det er blevet almindeligt anerkendt, at fænomenet er en vigtig mekanisme for krystalvækst i mange naturlige og biomimetiske materialer, samt i syntesen af ​​nanotråde.

"Sådanne nanokrystalsystemer udviser ofte komplekse former lige fra quasi-endimensionelle kæder til tredimensionelle hierarkiske overbygninger, men typisk diffrakt som en enkelt krystal, hvilket antyder, at de primære partikler undergik justering under vækst, "siger Li, førsteforfatter til Science papiret og medlem af DeYoreos forskningsgruppe. "Når partikeljustering ledsages af koalescens, denne vækst er karakteriseret som orienteret tilknytning, imidlertid, den vej, hvorved nanopartikler bliver justeret og knyttet, er blevet dårligt forstået."

For at lære mere om de interaktioner og kræfter, der driver orienteret tilknytning, Berkeley-forskerne undersøgte den tidlige krystalvækst af jernoxidnanopartikler. Jernoxider er rigelige i jordskorpen og spiller en vigtig rolle i de biogeokemiske processer, der former miljøer nær overfladen. Ved at bruge en flydende siliciumcelle monteret i et højopløsnings-transmissionselektronmikroskop på Molecular Foundry, forskerholdet optog billeder med tilstrækkelig opløsning til at spore nanopartiklernes orientering gennem hele væksten af ​​krystallerne.

"Vi observerede partiklerne, der gennemgår kontinuerlig rotation og interaktion, indtil de fandt et perfekt gittermatch, hvorefter et pludseligt spring-til-kontakt opstod over en afstand på mindre end en nanometer, " DeYoreo siger. "Dette spring-til-kontakt efterfølges af laterale atom-for-atom tilføjelser initieret ved kontaktpunktet. De målte translationelle og rotationsaccelerationer viser, at stærke, meget retningsspecifikke interaktioner driver krystalvækst via orienteret tilknytning."

Oplysningerne opnået fra denne undersøgelse af den orienterede vedhæftning af jernoxidnanopartikler bør ikke kun være anvendelige til den fremtidige syntese af biomimetiske materialer, men også til miljøgenopretningsindsatsen. Forskere ved nu, at mineralisering i naturlige miljøer ofte forløber gennem hændelser med partikel-partikelvedhæftning og spiller en vigtig rolle i bindingen af ​​forurenende stoffer. Forståelse af kræfterne bag orienteret fastgørelse bør også fremme udviklingen af ​​forgrenede eller trælignende halvleder nanotråde, strukturer, hvor en eller flere sekundære nanotråde vokser radialt fra en primær nanotråd.

"Forgrenede halvleder nanotråde forfølges til applikationer inden for fotokatalyse, fotovoltaik og nanoelektronik på grund af deres store overfladearealer, små diametre, og evnen til at danne naturlige knudepunkter, "DeYoreo siger." En forståelse af de underliggende mekanismer, der styrer forgrening af nanotråde, bør hjælpe materialeforskere med at udvikle mere effektive strategier til fremstilling af disse materialer. "