Nye nanopartikeloverbygninger lavet af pyramideformede byggeklodser

Forskere fra Brown University har samlet komplekse makroskala-overbygninger fra pyramideformede nanopartikelbyggesten. Forskningen, beskrevet i journalen Natur , demonstrerer en lovende ny måde at bringe nanopartiklers nyttige egenskaber til materialer og enheder i makroskala.

"Der har været meget forskning i at lave overbygninger ud fra sfæriske nanopartikler, men meget mindre ved at bruge tetraedriske byggeklodser, " sagde Ou Chen, en adjunkt i kemi ved Brown og seniorforfatter af undersøgelsen. "Tetraedre åbner muligheden for at lave meget mere komplekse strukturer, og den 3-D-overbygning, vi demonstrerer her, er en af ​​de mest komplekse, der nogensinde er samlet af enkelte nanopartikelkomponenter."

Chens forskningsgruppe udviklede de byggesten, der blev brugt i undersøgelsen for et år siden. Partiklerne er kvanteprikker - halvledere i nanoskala, der kan absorbere og udsende lys. Deres tetraedriske (pyramidelignende) form har vigtige fordele i forhold til kugler, Chen siger, når man bruger dem til at bygge større strukturer. Tetraedre kan pakkes sammen med mindre tomrum end kugler, gør strukturer potentielt mere robuste. Ud over, partiklerne anvendt i undersøgelsen er anisotrope, hvilket betyder, at de har forskellige egenskaber afhængigt af deres orientering i forhold til hinanden. sfærer, på den anden side, er ens i alle retninger.

I tilfælde af de tetraedriske kvanteprikker, anisotropi blev genereret ved at behandle en flad flade, eller facet, af hver pyramide med en anden ligand (et kemisk bindemiddel) end de andre facetter.

"Ligander hjælper med at styre den rørende proces, der opstår, når to partikler mødes facet til facet, " sagde Yasutaka Nagaoka, en postdoc i Chens gruppe og den største bidragyder til projektet. "I dette tilfælde, facetter med ens ligander tiltrækker, hvilket giver en vis grad af kontrol over, hvordan partiklerne arrangerer sig."

Det er i modsætning til isotropiske sfærer, som arrangerer sig tilfældigt.

"Anisotropi øger kompleksiteten af ​​de overbygninger, vi kan lave sammenlignet med at bruge isotrope sfærer, " sagde Chen. "Det giver os også en vis magt til at kontrollere den atomare justering af partiklerne i superkrystallerne, som kunne give anledning til interessante egenskaber. For eksempel, du kan forudsige, at justering vil give anledning til bedre elektroniske egenskaber, fordi elektroner hopper lettere gennem overbygningens gitter."

Til deres studie, Chen og hans kolleger opløste deres tetraedriske kvantepunkter i opløsning, lod derefter partiklerne samle sig til tre forskellige typer overbygninger:endimensionelle tråde, todimensionale krystalgitter og tredimensionelle superkrystaller.

3D superkrystallerne var særligt interessante, Chen siger, på grund af deres kompleksitet og den interessante måde, de er dannet på. De individuelle nanopartikler dannede først kuglelignende klynger med hver 36 partikler. Disse klynger dannede derefter de større overbygninger. Da forskerne karakteriserede strukturen i detaljer ved hjælp af røntgenspredning, de fandt ud af, at gitterets atomare struktur faktisk var justeret, som de havde håbet.

Nu hvor de har vist en metode til at danne strukturerne, næste skridt er at undersøge deres egenskaber.

"Kvantepunktbyggestenene er interessante i sig selv, " sagde Chen. "De har en interessant fotondynamik, som kan omsættes til interessante optiske egenskaber i overbygningerne.

"Vi er nødt til at forstå, hvordan vi samler disse større og mere komplekse strukturer, " sagde han. "Jeg tror, ​​at disse vil være en bro, der vil bringe nanoskala dynamik ind i makroskalaen og muliggøre nye typer metamaterialer og enheder."