Hvordan vokser nanopartikler? Film på atomare skala løfter 100 år gammel teori

I årtier har en lærebogsproces kendt som "Ostwald-modning", opkaldt efter den nobelprisvindende kemiker Wilhelm Ostwald, styret designet af nye materialer, herunder nanopartikler - små materialer så små, at de er usynlige for det blotte øje.

Ifølge denne teori opløses små partikler og genaflejres på overfladen af ​​store partikler, og de store partikler fortsætter med at vokse, indtil alle de små partikler er opløst.

Men nu afslører nye videooptagelser optaget af Berkeley Lab-forskere, at væksten af ​​nanopartikler ikke er styret af forskelle i størrelse, men af ​​defekter.

Forskerne rapporterede for nylig deres resultater i tidsskriftet Nature Communications .

"Dette er en enorm milepæl. Vi omskriver lærebogskemi, og det er meget spændende," sagde seniorforfatter Haimei Zheng, seniorforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division og adjungeret professor i materialevidenskab og teknik ved UC Berkeley.

Til undersøgelsen suspenderede forskerne en opløsning af cadmiumsulfid (CdS) nanopartikler med cadmiumchlorid (CdCl₂ ) og hydrogenchlorid (HCl) i en brugerdefineret væskeprøveholder. Forskerne eksponerede opløsningen med en elektronstråle for at producere Cd-CdCl₂ core-shell nanopartikler (CSNP'er) – som ligner flade, sekskantede skiver – hvor cadmiumatomer danner kernen, og cadmiumchlorid danner skallen.

Ved at bruge en teknik kaldet højopløselig væskecelletransmissionselektronmikroskopi (LC-TEM) på Molecular Foundry, fangede forskerne LC-TEM-videoer i realtid i atomare skala af Cd-CdCl₂ CSNP'er modner i opløsning.

I et nøgleeksperiment viser en LC-TEM-video en lille Cd-CdCl₂ kerne-skal nanopartikel fusionerer med en stor Cd-CdCl₂ CSNP for at danne en større Cd-CdCl₂ CSNP. Vækstretningen blev imidlertid ikke styret af en forskel i størrelse, men af ​​en revnedefekt i skallen af ​​den oprindeligt større CSNP. "Opdagelsen var meget uventet, men vi er meget glade for resultaterne," sagde Qiubo Zhang, førsteforfatter og postdoc-forsker i Materials Sciences Division.

Forskerne siger, at deres arbejde er den højeste opløsning LC-TEM-video, der nogensinde er optaget. Fremskridtet - overvågning af, hvordan nanopartikler modnes i opløsning i realtid - blev muliggjort af en specialfremstillet, ultratynd "væskecelle", der sikrer en lille mængde væske mellem to kulstoffilmmembraner på et kobbergitter. Forskerne observerede væskeprøven gennem ThemIS, et specialiseret elektronmikroskop på Molecular Foundry, der er i stand til at optage atomare skalaændringer i væsker med en hastighed på 40-400 billeder i sekundet. Mikroskopets højvakuummiljø holder væskeprøven intakt.

"Vores undersøgelse udfylder hullet for nanomaterialetransformationer, som ikke kan forudsiges af traditionel teori." sagde Zheng, som var pioner for LC-TEM på Berkeley Lab i 2009 og er en førende ekspert på området. "Jeg håber, vores arbejde inspirerer andre til at tænke på nye regler for at designe funktionelle nanomaterialer til nye applikationer." + Udforsk yderligere

At leve på kanten:Sådan fik et 2D-materiale sin form