Forskere observerer vækst af sammensat overbygning fra nanokrystaller i realtid

For første gang har forskere og ingeniører observeret i realtid, hvordan to typer nanopartikler lavet af forskellige materialer kombineres til nye kompositmaterialer. Resultaterne, rapporteret af et hold ledet af University of Pennsylvania og University of Michigan, kunne hjælpe ingeniører med at få mere kontrol over samlingen af ​​materialer, der kombinerer de ønskede egenskaber af hver partikel - såsom fotoluminescens, magnetisme og evnen til at lede elektricitet.

"Vi designer nye materialer, der kombinerer forskellige slags funktioner på måder, som ikke er mulige med de materialer, vi har i dag," sagde Sharon Glotzer, Anthony C. Lembke Department Chair of Chemical Engineering ved University of Michigan og co-korresponderende forfatter. af undersøgelsen offentliggjort i Nature Synthesis .

De sammensatte strukturer er en type binært nanokrystal supergitter og kan bruges til elektroniske enheder, optiske enheder og energiproduktion og -lagring.

"Kombinering af fotoluminescerende og magnetiske nanopartikler kan for eksempel give dig mulighed for at ændre farven på en laser ved hjælp af et magnetfelt," sagde Emanuele Marino, en medførsteforfatter af papiret og en tidligere postdoktor ved University of Pennsylvania.

Ingeniører skaber typisk binære nanokrystal-supergitter ved at blande nanopartikelbyggesten i en opløsning og lade en dråbe af opløsningen tørre ud. Når dråben krymper, kombineres partiklerne til de ønskede overbygninger. Ingeniører ramte derefter krystallerne med røntgenstråler for at se de resulterende nanokrystalstrukturer. Hver krystalstruktur spreder røntgenstråler i et unikt mønster, der fungerer som et fingeraftryk til at identificere krystallerne.

At se, hvordan disse krystaller samles i realtid, har været en videnskabelig udfordring, fordi de dannes for hurtigt til de fleste røntgenspredningsteknikker. Uden at se trin, der fører op til den endelige struktur, lader forskerne gætte, hvordan deres nanokrystalblandinger fører til overbygninger.

"At finde ud af, hvordan disse materialer reagerer med hinanden, vil give os mulighed for at opbygge et mere omfattende bibliotek af de strukturer, de kan danne, når de kombineres," sagde Christopher Murray, Richard Perry University professor i kemi ved University of Pennsylvania og co-korresponderende. forfatter til undersøgelsen.

Holdet skabte de første real-time røntgenspredningsmålinger af supergitterne ved at bremse samlingsprocessen og bruge hurtigere røntgenspredningsteknikker ved hjælp af National Synchrotron Light Source II ved Brookhaven National Laboratory i Upton, New York.

"Anlæggets høje røntgenstrøm og hurtige dataindsamling kunne holde trit med de hastigheder, hvormed krystallerne blev dannet," sagde Esther Tsai, en stabsforsker ved Brookhaven National Laboratory og medforfatter af undersøgelsen.

For at bremse gittersamlingen blandede forskerne forskellige nanopartikler i en olieemulsion - næsten som en magnetisk salatdressing - og placerede derefter emulsionen i vand. Nanopartikelblandingen krympede, da olien diffunderede ud i vandet, men meget langsommere sammenlignet med den konventionelle lufttørringsmetode.

Efter en indledende, hurtig vækstfase, der varer op til fem minutter, samles nanokrystallerne ved langsomt at udstøde den sidste af den resterende olie over tre til fem timer.

At få øjnene op for de begyndende krystaller gjorde det muligt for University of Michigan-teamet at udlede fysikken og forklare, hvordan gitterne blev dannet, ved at modellere processen med computersimuleringer.

"Med tidsmæssig information fra eksperimenter kan vi konstruere en forudsigelsesmodel, der ikke kun reproducerer den endelige struktur, men hele strukturens samlingsvej," sagde Sharon Glotzer, Anthony C Lembke Department Chair of Chemical Engineering ved University of Michigan og med- tilsvarende forfatter til undersøgelsen.

Holdet opdagede, at binær nanokrystal-supergittersamling sker gennem kortrækkende tiltrækninger mellem nanopartikelbyggestenene, uanset hvilken type nanopartikel, der anvendes, og "bekræftede yderligere, at der ikke blev dannet mellemfaser før den endelige krystal, og overfladen af ​​emulsionsdråberne gjorde det. ikke spille en rolle i dannelsen af ​​krystallen," sagde Allen LaCour, en tidligere doktorand i kemiingeniør ved University of Michigan og medførsteforfatter af undersøgelsen.

Uden andre forklarende faktorer konkluderede simuleringerne, at styrken af ​​nanokrystalinteraktionerne er den primære faktor, der bestemmer supergitterstrukturen i de krympende dråber. Interaktionsstyrken kan ændres med partiklernes størrelse og elektriske ladning, eller tilføje visse elementer til partiklerne. U-M-teamets computermodeller kan simulere virkningerne af disse ændringer.

Flere oplysninger: Emanuele Marino et al., Krystallisation af binære nanokrystal-supergitter og relevansen af ​​kortdistance-attraktion, Nature Synthesis (2023). DOI:10.1038/s44160-023-00407-2

Journaloplysninger: Natursyntese

Leveret af University of Michigan