Næste videnskabelige mode kan være designer -nanokrystaller

(Phys.org) —Tredje kemiprofessorer fra University of Chicago håber, at deres separate forskningsbaner vil samles for at skabe en ny måde at samle det, de kalder "designeratomer" til materialer med en bred vifte af potentielt nyttige egenskaber og funktioner.

Disse "designeratomer" ville være nanokrystaller - krystallinske opstillinger af atomer beregnet til at blive manipuleret på måder, der går ud over standardanvendelser af atomer i det periodiske system. Sådanne arrays ville være egnede til at løse udfordringer inden for solenergi, kvanteberegning og funktionelle materialer.

Partnerne i projektet er prof. David Mazziotti, og lektorer Greg Engel og Dmitri Talapin. Alle tre har gjort vigtige fremskridt, der er afgørende for at flytte projektet fremad. Nu, med $ 1 million i finansiering fra W. M. Keck Foundation, de kan bygge på deres separate fremskridt på en samordnet måde mod et nyt mål.

"Hvis du ser på videnskabshistorien, en større udvikling starter med, at mennesker med forskellige baggrunde taler til hinanden og lærer af hinanden og gør noget virkelig revolutionerende frem for inkrementelt, "Sagde Talapin.

Udviklingen i Talapins laboratorium udgør kernen i projektet. En syntetisk uorganisk kemiker, han har specialiseret sig i at skabe præcist konstruerede nanokrystaller med veldefinerede egenskaber.

Nanokrystaller består af hundredvis eller tusinder af atomer. Dette er lille nok til, at nye kvantefænomener begynder at dukke op, men stor nok til at give bekvemme "moduler" til design af nye materialer. "Det er en interessant kombination, idet du bygger materialer ikke fra individuelle atomer, men fra de enheder, der ligner atomer på mange måder, men også opfører sig som et metal, halvleder eller magnet. Det er lidt skørt, "Sagde Talapin.

Potentialet i de nye ordninger kan overstige potentialet for eksisterende elementer. Kemikere kan ikke justere egenskaberne af brint eller helium, for eksempel, men de kan indstille egenskaberne af nanokrystaller.

"Du bygger kemi fra atomer, og kvantemekanik giver principper for at gøre det, "sagde Mazziotti, med henvisning til fysikkens love, der dominerer verden i ultrasmå skalaer. "På samme måde, vi forestiller os enorme muligheder med hensyn til at tage nanokrystallinske arrays og nanokrystaller som byggestenene til nye strukturer, hvor vi samler dem til stærkt korrelerede systemer. "

Nanokrystallinske byggesten

Essensen af ​​stærk sammenhæng, af kemiske bindinger, generelt om kemi, er forbindelserne mellem partikler og hvordan egenskaberne af disse partikler ændres, når de binder til hinanden, Bemærkede Engel. "Det handler om nye nye egenskaber, der stammer fra stærk blanding mellem partiklernes elektroniske tilstande, på samme måde som to atomer kommer sammen for at danne et molekyle, " han sagde.

Hydrogen- og iltgasser har meget forskellige egenskaber. Men når to hydrogenatomer deler elektroner med et oxygenatom, de danner vand. UChicago -trioen har som ambition at udvide denne ramme fra niveauet af individuelle atomer til niveauet for små, funktionelle objekter, såsom metal eller magnetiske halvledere.

Nøglen til deres projekt er at kontrollere graden af ​​korrelation mellem elektroner på forskellige nanokrystaller. I 2009, Talapin og hans samarbejdspartnere udviklede en måde at kontrollere elektroners bevægelser på, når de bevæger sig fra den ene nanokrystal til den næste. Deres "elektroniske lim" gør det muligt for halvleder -nanokrystaller effektivt at overføre deres elektriske ladninger til hinanden, et vigtigt skridt i syntesen af ​​nye materialer.

"Denne lim tilvejebringes ved en særlig indstilling af elektronernes adfærd, "Sagde Mazziotti." Du ønsker, at elektronerne skal have deres bevægelser korreleret på en særlig måde for at muliggøre effektiv overførsel af den energi fra den ene nanokrystal til den anden. "

At opnå større kontrol med korrelerede elektroner - dem hvis bevægelser er knyttet til hinanden - på forskellige nanokrystaller er nøglen til succes i Keck -projektet.

"Hvis vi kan forbedre det, så kan vi i det væsentlige udvikle en hel palet af nye materialer, der hovedsageligt stammer fra at bruge nanokrystaller som byggesten og stærk korrelation som en måde at indstille, i det væsentlige, i hvilken grad eller hvordan de taler til hinanden, "Mazziotti sagde." Vi ønsker virkelig effektiv overførsel af energi og information mellem de forskellige enheder. Tidligere inden for området nanokrystallinske arrays, nanokrystaller kommunikerede kun meget svagt med hinanden. "

Udvikler en ny palet

Mazziotti og Engel bringer teoretiske og spektroskopiske fremskridt, henholdsvis, til samarbejdet. Mazziottis fremskridt giver et alternativ til traditionelle metoder til at beregne stærkt korrelerede elektroner i molekyler, som skaleres eksponentielt med antallet af elektroner. Han har løst et mangeårigt problem, der muliggør beregninger ved hjælp af kun to af et molekyls elektroner, hvilket reducerer beregningsomkostningerne dramatisk.

Hans undersøgelser af ildfluebioluminescens og andre fænomener har vist, at efterhånden som molekylære systemer vokser sig større, stærke sammenhænge mellem elektroner vokser sig mere kraftfulde og åbner nye muligheder for fremtrædende adfærd. I forbindelse med et halvledende materiale såsom silicium, fremtrædende adfærd er, hvordan individuelle nanopartikler effektivt mister deres identitet, giver anledning til kollektive egenskaber i nye materialer.

"Når størrelsen på et molekylært system stiger, vi ser fremkomsten af ​​ny fysikadfærd og betydningen af ​​stærk korrelation af elektroner, "Mazziotti sagde." Betydningen af ​​stærk korrelation stiger dramatisk med systemstørrelse. "

Fremskridtet i Engels forskningsgruppe var udviklingen af ​​en teknik kaldet GRadient-Assisted Photon Echo (GRAPE) spektroskopi, som låner ideer fra magnetisk resonansbilleddannelse, men bruges til spektroskopi frem for medicinsk billeddannelse. Engel har allerede brugt GRAPE til at observere den korrelerede bevægelse og kobling mellem kromoforer, som er lysabsorberende molekyler. Nu vil han anvende teknikken på nanokrystaller.

"Det her, for første gang, vil lade os virkelig se den direkte karakter af den elektroniske kobling, der er kernen i denne idé om nye bindingskoncepter i designeratomer, "Sagde Engel." Vi vil kunne levere de eksperimentelle beviser, der vil kombinere den teori, David udvikler, med de nye strukturer, Dmitri bygger. "