Røntgenundersøgelse afslører, hvordan blysulfidpartikler selvorganiserer sig i realtid

Den struktur, som blysulfid-nanopartiklerne adopterer, ændrer sig overraskende ofte, når de samles for at danne ordnede supergitter. Det afslører et eksperimentelt studie, som er blevet udført på DESYs røntgenkilde PETRA III. Et hold ledet af DESY-forskerne Irina Lokteva og Felix Lehmkühler, fra gruppen Coherent X-ray Scattering ledet af Gerhard Grübel, har observeret selvorganiseringen af ​​disse halvledernanopartikler i realtid. Resultaterne er blevet offentliggjort i tidsskriftet Materialernes kemi . Undersøgelsen hjælper til bedre at forstå selvsamlingen af ​​nanopartikler, hvilket kan føre til væsentligt forskellige strukturer.

Blandt andet, blysulfid nanopartikler bruges i fotovoltaiske celler, lysdioder og andre elektroniske enheder. I undersøgelsen, holdet undersøgte den måde, hvorpå partiklerne organiserer sig selv for at danne en meget velordnet film. Det gjorde de ved at placere en dråbe væske (25 milliontedele af en liter) indeholdende nanopartiklerne inde i en lille celle og lade opløsningsmidlet fordampe langsomt i løbet af to timer. Forskerne brugte derefter en røntgenstråle ved P10-strålelinjen til i realtid at observere, hvilken struktur partiklerne dannede under samlingen.

Til deres overraskelse, partiklernes struktur ændrede sig flere gange i løbet af processen. "Først ser vi nanopartiklerne danne en sekskantet symmetri, hvilket fører til et fast stof af nanopartikler med en sekskantet gitterstruktur, Lokteva rapporterer. "Men så ændrer supergitteret sig pludselig, og viser en kubisk symmetri. Mens det fortsætter med at tørre, strukturen laver yderligere to overgange, bliver et supergitter med tetragonal symmetri og til sidst et med en anden kubisk symmetri." Denne sekvens er aldrig blevet afsløret før i så detaljer.

Holdet foreslår, at den sekskantede struktur (sekskantet tætpakket, HCP) vedvarer, så længe overfladen af ​​partiklerne er kvældet af opløsningsmidlet. Når filmen tørrer en lille smule, dens indre struktur ændres til en kubisk symmetri (kropscentreret kubisk, BCC). Imidlertid, rester af opløsningsmidlet forbliver stadig mellem de individuelle nanopartikler inde i filmen. Da dette fordamper, strukturen ændres to gange mere (kropscentreret tetragonal BCT og ansigtscentreret kubisk FCC).

Filmens endelige struktur afhænger af en række forskellige faktorer, som Lokteva forklarer. De omfatter typen af ​​opløsningsmiddel og hvor hurtigt det fordamper, størrelse og koncentration af nanopartikler, men også arten af ​​de såkaldte ligander, der omgiver partiklerne, og deres tæthed. Forskere bruger udtrykket ligand til at beskrive visse molekyler, der binder sig til nanopartikeloverfladen og forhindrer dem i at agglomerere. I undersøgelsen, holdet brugte oliesyre til dette formål; dets molekyler dækker partiklerne, meget ligesom voks, der forhindrer gummibjørne i at klæbe til hinanden i en pose. Dette er en veletableret proces inden for nanoteknologi.

"Vores forskning viser, at den endelige struktur af supergitteret også afhænger af, om de enkelte nanopartikler er omgivet af mange eller få oliesyremolekyler, " rapporterer Lokteva. "I en tidligere undersøgelse, vi opnåede film med en BCC/BCT-krystalstruktur, når liganddensiteten var høj. Her, vi så specifikt på nanopartikler med en lav liganddensitet, og dette førte til en FCC-struktur. Så når du bruger nanopartikler, liganddensiteten bør bestemmes, hvilket ikke er en standard praksis i øjeblikket, " forklarer DESY-forskeren.

Disse observationer er også vigtige, når det kommer til andre materialer, påpeger holdet. "Blysulfid er et interessant modelsystem, der hjælper os til bedre at forstå de generelle mekanismer, hvorved nanopartikler selv samler sig, Lokteva forklarer. "Naturen kan give nanostrukturer forskellige interessante egenskaber via fænomenet selvsamling, og vi har nu værktøjerne til at se over naturens skulder, mens den konstruerer disse strukturer."