Nanokrystal selvsamling kaster af sig sine hemmeligheder

Hemmeligheden bag et længe skjult magisk trick bag selvsamlingen af ​​nanokrystalstrukturer begynder at blive afsløret.

Omdannelsen af ​​simple kolloide partikler - stumper af stof suspenderet i opløsning - til tætpakkede, smukke blonde-lignende masker, eller supergitter, har undret forskere i årtier. Smukke billeder i sig selv, disse små supergitter, også kaldet kvanteprikker, bliver brugt til at skabe mere levende skærme samt rækker af optiske sensoriske enheder. Kvanteprikkers ultimative potentiale til at gøre enhver overflade til en smart skærm eller energikildehængsler, delvis, på at forstå, hvordan de dannes.

Gennem en kombination af teknikker, herunder kontrolleret opløsningsmiddelfordampning og synkrotron røntgenspredning, realtids-selvsamlingen af ​​nanokrystalstrukturer er nu blevet observerbar in-situ. Resultaterne blev rapporteret i journalen Naturmaterialer i et papir af adjunkt William A. Tisdale og studerende Mark C. Weidman, begge ved MIT's Institut for Kemiteknik, og Detlef-M. Smilgies ved Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS).

Forskerne forventer, at deres nye resultater vil have konsekvenser for den direkte manipulation af resulterende supergitter, med mulighed for on-demand fremstilling og potentiale til at generere principper for dannelse af relaterede bløde materialer såsom proteiner og polymerer.

Quantum dot disco

Tisdale og hans kolleger er blandt de mange grupper, der studerer hårde halvledernanokrystaller med overflader belagt med organiske molekyler. Disse elektroniske materialer, der kan behandles med løsninger, er nu på butikshylderne under en række forskellige navne, indbygget i alt fra lysskærme til tv. De bliver også optaget af at lave effektive solceller og andre energikonverteringsenheder på grund af deres lette fremstilling og lave omkostninger fremstillingsprocesser.

Den bredere anvendelse af disse nanokrystaller i andre energikonverteringsteknologier har været begrænset, delvis, på grund af manglende viden om, hvordan de selv samler sig, går fra kolloide partikler (som små styrofoamkugler suspenderet i en væske) til supergitter (forestil dig de samme kugler nu tørre, pakket, og justeret).

Teknikker, herunder elektronmikroskopi og dynamisk lysspredning, har afsløret nogle aspekter af den kolloide starttilstand og den endelige supergitterstruktur, men de har ikke belyst overgangen mellem disse to stater. Faktisk, et sådant grundlæggende arbejde går tilbage til midten af ​​1990'erne med Moungi Bawendis gruppe på MIT.

"I de sidste 10 til 15 år, der er gjort mange fremskridt med at lave meget smukke nanokrystalstrukturer, " siger Tisdale. "Men, der er stadig megen debat om, hvorfor de samles i hver konfiguration. Er det ligand entropi eller facettering af nanokrystallerne? Dybden af ​​information, der gives ved at se hele selvorganiseringsprocessen udfolde sig i realtid, kan hjælpe med at besvare disse spørgsmål."

Hemmelighedernes Kammer

For at lave nanoskalafilmen ovenfor, Tisdales kandidatstuderende og medforfatter Mark Weidman benyttede sig af et Cornell-udviklet forsøgskammer og en nyligt udviklet dobbeltdetektoropsætning med to hurtige områdedetektorer, mens miljøforholdene blev ændret under dannelsen af ​​supergitter. Brug af blysulfid nanokrystaller, Weidman var i stand til at udføre samtidige småvinklede røntgenspredningsobservationer (fanger strukturen af ​​supergitteret) og vidvinkelrøntgenspredning (fanger atomskalaorientering og justering af enkelte partikler) under fordampningen af ​​et opløsningsmiddel.

"Vi tror, ​​at dette var det første eksperiment, der har gjort det muligt for os at se i realtid og i et naturligt miljø, hvordan selvsamling opstår, "Tisdale siger. "Disse eksperimenter ville ikke have været mulige uden de eksperimentelle muligheder udviklet af Detlef og CHESS-teamet."

Brugen af ​​nanokrystaller med et tungt element (bly) og lysstyrken af ​​synkrotron røntgenkilden muliggjorde tilstrækkelig hurtig dataindsamling til, at selvsamling kunne observeres i realtid, resulterer i overbevisende billeder og film af processen.

Et fint mesh

Opdagelsen kan føre til raffinerede modeller til selvsamling af en lang række organiske bløde materialer. I øvrigt, Evnen til at se strukturen, mens den udvikler sig i realtid, lover også at gribe ind eller dirigere systemet ind i ønskede konfigurationer, forudsiger en fremtidig vejledning til at skabe supergitter.

Tisdale siger, at der skal gøres meget mere arbejde for at få indsigt i, hvorfor nanokrystaller selv samler, som de gør. Han og hans team planlægger at bruge deres nye teknik til at manipulere parametre såsom opløsningsmiddelforhold samt størrelsen og formen af ​​nanokrystaller, og at studere liganderne på overfladen nærmere, da de ser ud til at være nøgledriveren til selvsamling.

"Vi håber, at denne undersøgelse og teknik vil bidrage til at øge vores forståelse af kolloid selvsamling og, På lang sigt, sætte os i stand til at lede selvsamling i nanoskala mod en ønsket struktur, " tilføjer Weidman.