Nanoengineering integrerer krystaller, der normalt ikke passer sammen

En plan for design af nye materialer ved hjælp af vanskelige kombinationer af nanokrystaller er blevet udviklet af et team af forskere ved University of Pennsylvania og University of Michigan.

Arbejdet kan føre til forbedringer i nanokrystaller, der allerede bruges i skærme, medicinsk billeddannelse og diagnostik, og muliggøre nye materialer med tidligere umulige egenskaber.

Forskere kan lave materialer med nye og interessante egenskaber ved at samle nanokrystaller af forskellige sammensætninger, størrelser og former. Udfordringen er at gøre det på en organiseret måde. Nu, Penn- og U-M-teamet har udviklet en strategi, der udforsker de tilgængelige nanopartikler og finder ud af, hvordan de kan hænge sammen.

"Det er et af de problemer, hvor 'likes likes like' '" sagde nyligt ph.d.-kandidat Katherine Elbert, som ledede denne undersøgelse, mens han arbejdede i Chris Murrays laboratorium, en Penn Integrates Knowledge (PIK) professor i materialevidenskab og teknik.

Denne tendens betyder, at de forskellige slags nanokrystaller ofte adskiller sig selv, danner uordnede klatter i stedet for integrerede, bestilte faste stoffer.

"Her, vi forsøger at overvinde den barriere og lave materialer, hvori nanokrystallerne er præcist koblet til deres naboer for at hybridisere deres egenskaber, " sagde Elbert.

Computermodellering af gruppen af ​​Sharon Glotzer, John W. Cahn Distinguished University Professor of Engineering ved U-M, demonstreret en måde at omgå denne barriere ved at belægge nanopartiklerne med molekyler, der ændrer dens form, hvad angår nabo-nanopartikler.

"Vi kan udnytte disse subtile ændringer til at drive samling i modsætning til adskillelse, " sagde Thi Vo, U-M forskningsstipendiat i kemiteknik.

En af de største udfordringer inden for forskningsområdet er det store antal og typer af nanokrystaller - med massive biblioteker af nanokrystaller med varierende kemiske formler, størrelser og former.

"At placere hver 'klods' præcis på det rigtige sted ville være uoverkommeligt, " sagde Murray. "Men hvis du kan finde reglerne for, hvordan naturen ønsker at samle nanokrystaller, og du ved, hvordan man optimerer forholdene og det præcise design af blokke, du har nu den plan for at lave forskellige klasser af materialer."

Glotzers gruppe redede gennem biblioteket af partikler, som Murrays gruppe kunne lave, modellering af interaktioner mellem par af nanokrystaller for at se, hvordan de kan samle sig selv i forskellige ønskede strukturer. Den beregningsmæssige undersøgelse anbefalede størrelser, former, materialetyper og kemiske miljøer til opfølgende forsøg i laboratoriet.

Forskerne fokuserede på to klasser af nanokrystaller med vidt forskellige sammensætninger, størrelser og strukturer i denne undersøgelse - den ene med interessante optiske egenskaber og den anden med nyttige elektriske egenskaber. Som regel, de kan ikke lide at blande. Men hvis de gjorde det, vi kunne potentielt kombinere dem til at lave solceller, der kan omdanne infrarødt lys til elektricitet mere effektivt, blandt andre muligheder.

Da holdet præcist kontrollerede overfladestørrelserne og -formerne af nanokrystallerne med disse belægningsmolekyler, så de rigtige kombinationer af krystaller ville tiltrække hinanden, they were able to create integrated structures. These results can be applied to other types of materials with only minor adjustments.

"By building nanoscale components and organizing them under a universal set of conditions, we can get materials properties that don't coexist or are exceedingly difficult to bring together. Nu, we have a strategy to get the nanocrystals to couple and overlap, " Murray said.

The paper in Videnskabens fremskridt is titled "Anisotropic nanocrystal shape and ligand design for co-assembly."