Atomer i en nanokrystal samarbejder, meget ligesom i biomolekyler

(Phys.org) – Forskere har længe troet, at biologiske molekyler og syntetiske nanokrystaller kun var ens i størrelse. Nu, University of Illinois i Urbana-Champaign kemikere har fundet ud af, at de kan tilføje reaktivitet til listen over fælles træk. Atomer i en nanokrystal kan samarbejde med hinanden for at lette binding eller skift, et fænomen, der er udbredt i biologiske molekyler.

Fundet kunne katalysere fremstilling af nanokrystaller til smarte sensorer, solceller, små transistorer til optiske computere, og medicinsk billeddannelse. Ledet af kemiprofessor Prashant Jain, holdet offentliggjorde sine resultater i tidsskriftet Naturkommunikation .

"I geologisk, industri- og boligmiljøer, kornene i nanoskala af ethvert materiale gennemgår kemiske overgange, når de sættes under reaktive forhold, " sagde Jain. "Jernruster over tid og diamantdannelse fra kulstof er eksempler på to almindeligt forekommende overgange. At forstå, hvordan disse overgange sker på skalaen af ​​de mindste korn af materialet, er en væsentlig motivation for vores arbejde."

Forskere kan udnytte sådanne overgange til at lave nanokrystaller, der passer til en bestemt struktur. De kan lave en nanokrystal af et materiale og omdanne det til et andet materiale, i det væsentlige at bruge den originale nanokrystalramme som skabelon til at skabe en nanokrystal af det nye materiale med samme størrelse og form. Dette lader forskere skabe nanokrystaller af nye materialer i former og strukturer, som de måske ellers ikke ville være i stand til.

I den nye undersøgelse, forskerne forvandlede bittesmå krystaller af materialet cadmiumselenid til krystaller af kobberselenid. Kobberselenid nanokrystaller har en række interessante egenskaber, der kan bruges til solenergihøst, optisk databehandling og laserkirurgi. Transformation fra cadmiumselenid skaber nanokrystaller med en renhed, der er svær at opnå fra andre metoder.

Forskerne, inklusive kandidatstuderende Sarah White, brugte avancerede mikroskopi- og spektroskopiteknikker til at bestemme dynamikken af ​​atomerne i krystallerne under transformationen og fandt ud af, at transformationen ikke sker som en langsom diffusionsproces, men som et hurtigt skift takket være samarbejdsvilje.

Forskerne så, at når cadmium-selenid nanokrystallen har optaget nogle få første kobber "frø" urenheder, atomer i resten af ​​gitteret kan samarbejde om hurtigt at skifte resten af ​​cadmiumet ud med kobber. Jain sammenligner krystallerne med hæmoglobin, molekylet i røde blodlegemer, der transporterer ilt. Når et iltmolekyle har bundet sig til hæmoglobin, andre bindingssteder i hæmoglobin ændrer en smule konformation for lettere at optage mere ilt. Han hævder, at på samme måde, kobberurenheder kan forårsage en strukturel ændring i nanokrystallet, gør det lettere for flere kobberioner at infiltrere nanokrystallen i en hurtig kaskade.

Forskerne gengav eksperimentet med sølv, ud over kobber, og så lignende, dog lidt mindre hurtig, kooperativ adfærd.

Nu, Jains team bruger sin avancerede billedbehandling til at se overgange ske i enkelte nanokrystaller, i realtid.

"Vi har et sofistikeret optisk mikroskop i vores laboratorium, som nu har givet os mulighed for at fange en enkelt nanokrystal i færd med at lave en overgang, " sagde Jain. "Dette giver os mulighed for at lære skjulte detaljer om, hvordan overgangen faktisk forløber. Vi lærer også, hvordan en nanokrystal opfører sig anderledes end en anden."

Næste, forskerne planlægger at udforske biomolekyle-lignende samarbejdsfænomener i andre faststofmaterialer og -processer. For eksempel, samarbejde i katalytiske processer kan have store konsekvenser for solenergi eller fremstilling af dyre specialkemikalier.

"På lang sigt, vi er interesserede i at udnytte samarbejdsadfærden til at designe kunstige smarte materialer, der reagerer på en switch-lignende måde, som hæmoglobin i vores krop gør, " sagde Jain.