Lava prikker:Forskere laver hule, blødskallede kvanteprikker

(Phys.org)—Serendipity viste sig at være en nøgleingrediens for de seneste nanopartikler opdaget på Rice University. De nye "lava dot" partikler blev opdaget ved et uheld, da forskere faldt over en måde at bruge smeltede dråber af metalsalt til at lave hule, coatede versioner af en nanoteknologisk hæfteklamme kaldet kvanteprikker.

Resultaterne vises online i denne uge i journalen Nanoteknologi . Forskerne fandt også ud af, at lavaprikker arrangerer sig selv i jævnt fordelte mønstre på flade overflader, blandt andet takket være en blød ydre belægning, der kan ændre sin form, når partiklerne er tæt pakket.

"Vi udforsker potentialet ved at bruge disse partikler som katalysatorer til brintproduktion, som kemiske sensorer og som komponenter i solceller, men hovedpointen i dette papir er, hvordan vi laver disse materialer, "sagde medforfatter Michael Wong, professor i kemi- og biomolekylær teknik ved Rice. "Vi fandt på denne" smeltedråb-synteseteknik "og fandt ud af, at vi kan bruge den samme proces til at lave hule nanostørrelsespartikler af flere slags elementer. Resultatet er, at denne opdagelse handler om en hel familie af partikler frem for en bestemt sammensætning."

Ligesom deres quantum dot fætre, Rice's lavaprikker kan være lavet af halvledere som cadmiumselenid og zinksulfid.

Wongs laboratorium har arbejdet støt på at forbedre syntesen af ​​kvanteprikker i mere end fem år. I 2007 Wongs team opdagede en renere og billigere måde at syntetisere firbenede kvantepunkter-partikler mindre end en levende celle, der ligner små versioner af børns stik. Disse "nanojacks, "som også kaldes kvante-tetrapoder, kan bruges til at høste sollys i en revolutionerende ny slags solpanel.

Nøgletrinet i opdagelsen i 2007 var brugen af ​​et overfladeaktivt stof kaldet CTAB. I 2010 forsøgte Rice-studerende Sravani Gullapalli at forfine "nanojack"-syntesen endnu mere, da hun opdagede lavaprikker.

"Denne nye kemi til at lave tetrapoderne var ret billig, men vi ledte efter en endnu billigere måde, " sagde Wong. "Sravani sagde, 'Lad os slippe af med dette dyre fosforoverfladeaktive stof og se hvad der sker.' Så hun gjorde, og disse små ting dukkede lige op på elektronmikroskopskærmen."

Wong huskede holdets første overraskelse. "Vi sagde, 'Hvad foregår der her? Hvordan går du fra firbenede nanojacks til disse små bolde? '"

Han sagde, at det tog holdet mere end et år at tyde den usædvanlige dannelsesmekanisme, der gav hulen, blødskallede partikler.

For at lave partiklerne, Gullapalli tilsatte tre slags fast pulver - cadmiumnitrat, selen og en lille mængde CTAB - til et olieopløsningsmiddel. Hun opvarmede derefter langsomt blandingen under omrøring. Cadmiumnitratet smeltede først og dannede bittesmå nanodråber, som ikke kan ses med det blotte øje.

"Der sker ikke noget, før temperaturen fortsætter med at stige, og selenet smelter, " sagde Gullapalli. "Det smeltede selen vikler sig derefter omkring cadmiumnitratdråben, og cadmiumnitratet diffunderer ud og efterlader et hul, hvor dråben engang var."

Hun sagde, at cadmiumselenidskallen, der omgiver hullet, er nanokrystallinsk og er indhyllet i en blød ydre skal af rent selen.

Da Gullapalli undersøgte lavapunkterne med et transmissionselektronmikroskop, hun fandt dem større end standard kvanteprikker, cirka 15-20 nanometer i diameter. Hullerne var omkring 4-5 nanometer i diameter. Hun lagde også mærke til noget ejendommeligt:​​Når de sad for sig selv, så de rundt, og når den er tæt pakket, skallen så ud til at blive komprimeret, selvom nærliggende prikker aldrig kom i egentlig kontakt med hinanden.

"Det er en af ​​drejningerne til denne mærkelige kemi, " sagde Wong. "Opløsningsmidlet danner sit eget overfladeaktive stof under denne proces. Det overfladeaktive middel dækker partiklerne og forhindrer dem i at røre hinanden, selv når de er tæt pakket sammen."

Wongs team fandt senere ud af, at det kunne bruge metoden med smeltede dråber til at lave lavaprikker af zinksulfid, cadmiumsulfid og zinkselenid.

"Vi fandt ud af, at de hule partikler mødte og endda oversteg nogle præstationsmålinger af kvanteprikker i en solcelle-testanordning, og vi fortsætter med at undersøge, hvordan disse kan være nyttige, " sagde Gullapalli.