Milliarder af nanoreaktorer informerer om materialedesign

Forestil dig at bygge en kemisk reaktor, der er lille nok til at studere nanopartikler en milliardtedel af en meter i diameter. En milliard gange mindre end en regndråbe er volumenet af en E. coli-celle. Og en anden million gange mindre ville være en reaktor, der er lille nok til at studere isolerede nanopartikler. Læg dertil udfordringen med at lave ikke kun én af disse små reaktorer, men milliarder af dem, alle identiske i størrelse og form. Forskere ved Cornell har gjort netop det.

Et hold ledet af Tobias Hanrath, lektor i kemi og biomolekylær teknik, har demonstreret kontrolleret sammensmeltning af halvlederkvanteprikker i et nanoreaktorbur af rustne partikler.

Holdet arrangerede seks blyselenidkrystaller inden for en ramme af jernoxidkugler (rust). De undersøgte, hvordan kvanteprikkerne i nanoskalaen "rustne bur" interagerer, ved hjælp af røntgenstråler ved Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS). Disse eksperimenter gjorde det muligt for dem at lokalisere specifikke interaktioner mellem partikler i kassen og dermed bane vejen for at lave nye materialer med egenskaber ved design. Resultaterne, som kan anvendes på andre materialer, blev udgivet i Videnskabelige rapporter , 23. okt.

De brugte CHESS til at udføre røntgenspredning på gentagne enheder af disse rustne kasser, mens de varmede dem op, se, hvad der sker med blyseleniden i midten. Med de spredningsdata, der fungerer som en højopløsningsfilm, de kunne identificere forskellige stadier af fusion af blyselenid-hexamererne. Dette kunne føre til indsigt i at få specifikke funktionaliteter ud af disse lidet forståede nanomaterialer. For meget varme fik blykrystallerne til at sinte og smelte sammen; ikke nok varme trak dem ikke tæt nok sammen til at interagere.

Kandidatstuderende Ben Treml ledede eksperimenterne; han syntetiserede partiklerne og samlede dem til supergitter (gitter af nanokrystaller, snarere end atomer). Prøverne blev undersøgt ved D1-strålelinjen i CHESS med medforfatter Detlef Smilgies, stabsforsker, som hjalp Treml med at forfine eksperimenterne.

Resultaterne blev verificeret med teoretisk modellering af medforfatterne Paulette Clancy, professor i kemi og biomolekylær teknik, og postdoc Binit Lukose.