Selvsamlende og komplekse mesokrystaller i nanoskala kan indstilles til en række forskellige anvendelser

Et forskerhold fra KTH Royal Institute of Technology og Max Planck Institute of Colloids and Interfaces rapporterer at have fundet nøglen til kontrolleret fremstilling af ceriumoxid-mesokrystaller. Forskningen er et skridt fremad i at tune nanomaterialer, der kan tjene en bred vifte af anvendelser - inklusive solceller, brændstofkatalysatorer og endda medicin.

Mesokrystaller er nanopartikler med identisk størrelse, form og krystallografisk orientering, og de kan bruges som byggesten til at skabe kunstige nanostrukturer med tilpassede optiske, magnetiske eller elektroniske egenskaber. I naturen findes disse tredimensionelle strukturer i for eksempel koraller, søpindsvin og kalcitørkenrose. Kunstigt fremstillet ceriumoxid (CeO₂ ) mesokrystaller – eller nanoceria – er velkendte som katalysatorer med antioxidantegenskaber, der kunne være nyttige i farmaceutisk udvikling.

"At være i stand til at fremstille CeO₂ mesokrystaller på en kontrolleret måde, skal man forstå dannelsesmekanismen af ​​disse materialer," siger Inna Soroka, forsker i anvendt fysisk kemi ved KTH. Hun siger, at holdet brugte strålingskemi til for første gang at afsløre ceria mesokrystal dannelsesmekanismen.

På grund af deres kompleksitet følger mesokrystaldannelsen ikke den samme vej som almindelige krystaller - en proces kaldet Ostwald-modning, hvor mindre partikler i opløsning opløses og aflejres på større partikler.

Forskerne fandt ud af, at en gel-lignende, amorf fase danner en matrix, hvor primære partikler, omkring 3 nm i størrelse, flugter med hinanden og samler sig selv til mesokrystaller med en diameter på 30 nm.

"Hvis mesokrystallen var et hus, spiller denne amorfe fase rollen som cementen, der forbinder de rettede mursten i væggene," siger Dr. Soroka.

De fandt også ud af, at mesokrystallerne yderligere kan selvorganisere sig og danne suprakrystaller, synlige for det blotte øje. "Ligesom en arkitekt kan designe ikke et enkelt hus, men et helt kvarter med husene orienteret på en bestemt måde for at tjene deres indbyggeres behov," siger hun.

Denne multi-level hierarkiske arkitektur af suprakrystaller er et interessant koncept for fremtidig materialedesign, siger hun. "Folk er fascineret af de mange forskellige strukturer og komplekse former, der findes i naturen, såsom søpindsvin og koraller. Og videnskabsmænd er interesserede i, hvordan krystalliseringsprocesserne fungerer. Vores arbejde er et bidrag til denne forståelse."

Forskningen blev offentliggjort i Angewandte Chemie International Edition . + Udforsk yderligere

Binære mesokrystaller fra nanobyggesættet