Kemikere opdager mekanisme i kontrolleret vækst af tetraederformede nanopartikler

Naturen kan tydeligvis godt lide symmetri. Se for eksempel på dine egne hænder. Men nogle gange producerer naturen asymmetriske ting, og årsagerne er ikke altid klare.

Rice University kemiker Matthew Jones og hans team har søgt svar på sådanne spørgsmål om nyttige nanopartikler - og ser nu ud til at have en.

En ny undersøgelse af Jones, hovedforfatter og postdoc-forsker Muhua Sun og kandidatstuderende Zhihua Cheng og Weiyin Chen viser, hvordan symmetribrud under partikelvækst pålideligt danner pyramideformede, guldtetraeder nanokrystaller.

Ved symmetribrud bestemmer små udsving i et udviklende system systemets skæbne. I dette tilfælde gælder det væksten af ​​krystaller fra frø i nanoskala, der begynder med et symmetrisk atomgitter.

Rice-forskerne viste, hvordan afbalancering af termodynamiske og kinetiske kræfter under krystallisationsprocessen kan bruges til at vippe partikelvækst i den ønskede retning. Deres opdagelse åbner også en vej mod at bruge asymmetriske nanopartikler som byggesten til unikke metamaterialer.

Undersøgelsen i American Chemical Society-tidsskriftet ACS Nano udspringer af arbejde støttet af Jones' Packard Fellowship, bevilget i 2018 for at hjælpe ham med at forfølge forskning i væskecelletransmissionselektronmikroskopi (TEM).

Teknikken udviklet af Jones og hans laboratorium giver forskere mulighed for at se enkelte metal-nanopartikler dannes i væske gennem et vindue, der er stort nok til at lade elektroner passere. Ved almindelig brug arbejder transmissionselektronmikroskoper i højvakuum og fordamper blot eksponerede væsker.

Forskerne bemærkede, at tetraederformede nanopartikler ofte findes som biprodukter af andre processer, men målrettet fremstilling af dem i laboratoriet har vist sig at være en udfordring.

"Hvis en partikel er en enkelt krystal, arver den normalt gitterets symmetri," sagde Jones. "Og krystaller har en tendens til at være meget symmetriske, som terninger eller rombiske dodekaeder eller oktaeder. Men så er der disse mærkelige afvigere, som nogle mennesker ser, som på mystisk vis har en lavere symmetri end modergitteret."

Det nye studie er det første fra Jones' laboratorium, der viser, hvor godt væskecelleteknikken fungerer. Evnen til at strømme væske, der indeholder ligander og forstadier, gennem cellen, mens de ser, tillod dem at komme ind på det punkt, hvor væksten kommer på afveje og omdirigerer symmetrien af ​​det endelige nanopartikelprodukt.

Nøglen så ud til at være væksthastigheden og betingelserne, hvorunder guldatomer havde en tendens til at binde sig til partikler ved deres spidser og kanter snarere end de termodynamisk favoriserede flader.

"Nu hvor vi er i stand til at screene en række forhold, var vi i stand til at se et spektrum med kinetisk vækst i den ene ende og ligevægt i den anden," sagde Jones. "Den kinetiske vækst er hurtig, og fremspringene vokser meget hurtigt, og det er ikke særlig godt kontrolleret. I ligevægt er væksten langsom, og systemet gør, hvad det vil, som er at opretholde symmetri.

"Men flydende celle TEM gjorde det muligt for os at ændre én variabel i farten og se adfærden i midten, hvor vi kunne se denne mærkelige symmetri bryde og en veldefineret tetraederpartikel komme ud. Så vi konkluderede, at dette måtte være en balance mellem ligevægt og kinetiske faktorer."

Jones sagde forståelse for, at grundlæggende balance "bør være generaliserbar til en række andre forhold."

Han sagde, at opdagelsen også etablerer flydende celle TEM som et værdifuldt værktøj til observation og analyse af dynamiske kemiske processer, hvilket potentielt eliminerer en masse trial and error i syntesen af ​​partikler til biomedicin, katalyse eller nanofotonik.

"Der er ikke noget som at kunne se det hele ske," sagde han. "Det er, hvad denne teknik gør. Du skyder ikke fotoner mod noget og så skal du lave en masse analyser for at fortolke resultaterne. Du ser bare processen. At se er at tro." + Udforsk yderligere

Oprindelse af symmetribrud i frømedieret vækst af bimetal nano-heterostrukturer