Forskere ser kvanteprikker trække vejret som reaktion på stress

Forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory så halvlederkrystaller i nanoskala udvide og skrumpe som reaktion på kraftige pulser af laserlys. Denne ultrahurtige "vejrtrækning" giver ny indsigt i, hvordan sådanne små strukturer ændrer form, når de begynder at smelte – information, der kan hjælpe forskere med at skræddersy deres brug til en række anvendelser.

I eksperimentet med SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) røntgenlaser, en DOE Office of Science brugerfacilitet, forskere udsatte først nanokrystallerne for et udbrud af laserlys, tæt fulgt af en ultralys røntgenpuls, der registrerede de resulterende strukturelle ændringer i atomskaladetaljer ved begyndelsen af ​​smeltningen.

"Dette er første gang, vi kunne måle detaljerne om, hvordan disse ultrasmå materialer reagerer, når de bliver belastet til deres grænser, sagde Aaron Lindenberg, en adjunkt ved SLAC og Stanford, der ledede eksperimentet. Resultaterne blev offentliggjort 12. marts i Naturkommunikation .

Lær Quantum Dots at kende

Krystallerne studeret ved SLAC er kendt som "kvanteprikker", fordi de viser unikke træk på nanoskalaen, der trodser den klassiske fysik, der styrer deres egenskaber i større skalaer. Krystallerne kan indstilles ved at ændre deres størrelse og form for at udsende specifikke farver af lys, for eksempel.

Så forskere har arbejdet på at inkorporere dem i solpaneler for at gøre dem mere effektive og i computerskærme for at forbedre opløsningen, mens de bruger mindre batteristrøm. Disse materialer er også blevet undersøgt til potentiel brug i batterier og brændselsceller og til målrettet medicinafgivelse.

Forskere har også opdaget, at disse og andre nanomaterialer, som kan indeholde kun ti eller hundreder af atomer, kan være langt mere skadesbestandige end større stykker af de samme materialer, fordi de udviser en mere perfekt krystalstruktur i de mindste skalaer. Denne egenskab kan vise sig at være nyttig i batterikomponenter, for eksempel, da mindre partikler muligvis kan modstå flere opladningscyklusser end større, før de nedbrydes.

En overraskelse i 'ånden' af små kugler og nanotråde

I LCLS-eksperimentet, forskere studerede kugler og nanotråde lavet af cadmiumsulfid og cadmiumselenid, der kun var 3 til 5 nanometer, eller milliardtedele af en meter, et kors. Nanotrådene var op til 25 nanometer lange. Til sammenligning, aminosyrer – byggestenene i proteiner – er omkring 1 nanometer lange, og individuelle atomer måles i tiendedele af nanometer.

Ved at undersøge nanokrystallerne fra mange forskellige vinkler med røntgenimpulser, forskere rekonstruerede, hvordan de ændrer form, når de rammes med en optisk laserpuls. De var overraskede over at se sfærerne og nanotrådene udvide sig i bredden med omkring 1 procent og derefter hurtigt trække sig sammen inden for femtosekunder, eller kvadrilliontedele af et sekund. De fandt også ud af, at nanotrådene ikke udvider sig i længden, og viste, at den måde, hvorpå krystallerne reagerer på belastning, var koblet til, hvordan deres struktur smelter.

I et tidligere, separat undersøgelse, et andet team af forskere havde brugt LCLS til at udforske reaktionen fra større guldpartikler på længere tidsskalaer.

"I fremtiden, vi ønsker at udvide disse eksperimenter til mere komplekse og teknologisk relevante nanostrukturer, og også for at muliggøre røntgenudforskning af enheder i nanoskala, mens de er i drift, " sagde Lindenberg. "At vide, hvordan materialer ændrer sig under belastning, kan bruges sammen med simuleringer til at designe nye materialer med nye egenskaber."