SKAK røntgenbilleder viser, hvordan man dyrker krystaller fra krystaller

(Phys.org) – Alt for lille til at se, nanokrystaller - bittesmå krystaller, der er mindst 1, 000 gange mindre end diameteren af ​​et menneskehår – udviser hidtil usete egenskaber, der fascinerer videnskabsmænd og ingeniører. For at anvende disse materialer i nye nanoteknologier, videnskabsmænd skal bedre forstå deres struktur, deres tilsvarende funktioner og hvordan de pakkes sammen.

Et samarbejde mellem Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) og materialeforskere har givet større forståelse for, hvordan bestemte nanokrystaller ser ud individuelt, og hvordan de passer sammen, da de danner større strukturer kaldet superkrystaller. En sådan viden kan føre til effektiv bottom-up engineering af nye materialer til anvendelser lige fra solceller til elektroniske komponenter. Værket er udgivet af Journal of the American Chemical Society .

Samarbejdet brugte innovative røntgenkrystallografimetoder ved B1 CHESS-strålelinjen ledet af CHESS-medarbejderen Zhongwu Wang. Det involverede samtidig indsamling af data om rækkefølgen og orienteringen af ​​blysulfid nanokrystaller og superkrystaller ved brug af både vidvinkel (WAXS) og lillevinklet (SAXS) røntgenspredning, som typisk gøres én ad gangen.

Vidvinkel røntgenspredning bruges til relativt mindre karakterisering, afsløre information om, hvordan atomplaner inden for individuelle nanokrystaller er orienteret. Spredning med små vinkler går et skridt videre ved at give data om, hvordan nanokrystaller, cirka 100 atomer i diameter, er arrangeret i forhold til hinanden, når de går sammen som en superkrystal.

Wang og hans samarbejdspartnere arbejdede sammen med Tobias Hanrath, lektor i kemi og biomolekylær teknik, der studerer blysulfid og andre nanokrystaller til fotovoltaiske materialer, at forberede prøverne og udføre forsøgene.

Den nye kombinerede metode hos CHESS gav indsigt i den uventede kompleksitet af arrangementet af nanokrystaller i superkrystallen. Opdagelsen kunne informere nye metoder til dyrkning af superkrystaller og hvordan man optimerer deres egenskaber.

"Du kan tænke på en individuel nanopartikel som et designeratom, Hanrath sagde. "Vi ønsker at finde ud af, hvordan du kan tage partiklerne og sætte dem sammen i forskellige konfigurationer, hvor partiklerne kan interagere på målrettede og programmerbare måder. Og vi skal bruge værktøjer som i CHESS for at se på de faktiske strukturer, som er langt mere komplekse, end når man bare behandler dem som små kugler."

Wang sagde, at WAXS/SAXS røntgenteknikkerne vil hjælpe dem og andre forskere med at forstå, hvordan nanokrystaller ændrer sig, og hvordan de interagerer med forskellige opløsningsmidler og i forskellige miljøer. Han og andre samarbejdspartnere planlægger at se på stadig mere komplekse nanokrystalsamlinger.

"Vi vil kombinere in-situ spektroskopiske teknikker med vores røntgenteknikker for at opbygge en række struktur-egenskabsforhold af indesluttede nanokrystaller med forskellige størrelser, former og sammensætninger, " sagde Wang.