Nanopartikler danner superkrystaller under tryk

Selvsamling og krystallisation af nanopartikler (NP'er) er generelt en kompleks proces, baseret på fordampning eller udfældning af NP-byggesten. At opnå superkrystaller af høj kvalitet er langsom, afhængig af dannelse og opretholdelse af homogene krystallisationsbetingelser. Nylige undersøgelser har brugt påført tryk som en homogen metode til at inducere forskellige strukturelle transformationer og faseovergange i forudbestilte nanopartikelsamlinger. Nu, i arbejde for nylig offentliggjort i Journal of Physical Chemistry Letters , et hold tyske forskere, der studerer opløsninger af guldnanopartikler belagt med poly(ethylenglycol)-(PEG-) baserede ligander, har opdaget, at superkrystaller kan induceres til at dannes hurtigt i hele suspensionen.

I løbet af de sidste par årtier, der har været stor interesse for dannelsen af ​​nanopartikler (NP) superkrystaller, som kan udvise afstemmelige og kollektive egenskaber, der adskiller sig fra deres komponenters egenskaber, og som har potentielle anvendelser inden for områder som optik, elektronik, og sensorplatforme. Mens dannelsen af ​​superkrystaller af høj kvalitet normalt er en langsom og kompleks proces, nyere forskning har vist, at påføring af tryk kan få guldnanopartikler til at danne superkrystaller. Med udgangspunkt i dette og den etablerede effekt af salte på opløseligheden af ​​guldnanopartikler (AuNP) belagt med PEG-baserede ligander, Dr. Martin Schroer og hans team udførte en række eksperimenter, der undersøgte effekten af ​​varierende tryk på guldnanopartikler i vandige opløsninger. De lavede en uventet observation - når et salt tilsættes til opløsningen, nanopartiklerne krystalliserer ved et vist tryk. Fasediagrammet er meget følsomt, og krystallisationen kan indstilles ved at variere typen af ​​tilsat salt, og dens koncentration.

Teamet brugte røntgenstråling med lille vinkel (SAXS) på beamline I22 til at studere krystallisationen in situ med forskellige kloridsalte (NaCl, KCl, RbCl, CsCl). Som Dr. Schroer forklarer,

I22 er en af ​​de få beamlines, der tilbyder et højtryksmiljø, og det er usædvanligt, fordi den eksperimentelle opsætning nemt administreres af brugerne selv. Strålelinjepersonalet er fremragende, og vi er særligt taknemmelige for deres ekspertise inden for databehandling, hvilket var uvurderligt."

Det resulterende tryk-saltkoncentration fasediagram viser, at krystallisationen er et resultat af den kombinerede effekt af salt og tryk på PEG-belægningerne. Superkrystaldannelse sker kun ved høje saltkoncentrationer, og er reversibel. Forøgelse af saltkoncentrationen fører til et kontinuerligt fald i krystallisationstrykket, der henviser til, at gitterstrukturen og krystallinitetsgraden er uafhængig af salttypen og koncentrationen.

Når krystallisationstrykket nås, superkrystaller dannes i hele suspensionen; komprimering af væsken resulterer yderligere i ændringer af gitterkonstanten, men ingen yderligere krystallisation eller strukturelle overgange. Denne teknik bør være anvendelig på en række forskellige nanomaterialer, og fremtidige undersøgelser kan afsløre indsigt i superkrystaldannelse, der vil hjælpe med at forstå krystallisationsprocesser og muliggøre udviklingen af ​​nye og hurtigere metoder til syntese af NP-superkrystaller.

NP-krystallisationen ser ud til at være øjeblikkelig, men i dette sæt af eksperimenter var der en forsinkelse på omkring 30 sekunder mellem at påføre trykket og tage SAXS-målingerne. Dr. Schroer og hans team vender tilbage til Diamond senere i år for at udføre tidsbestemte undersøgelser for yderligere at undersøge dette fænomen.