Wissenschaftler beobachten das Wachstum von Kompositüberstrukturen aus Nanokristallen in Echtzeit

Wissenschaftler und Ingenieure haben erstmals in Echtzeit beobachtet, wie sich zwei Arten von Nanopartikeln aus unterschiedlichen Materialien zu neuen Verbundmaterialien verbinden. Die Ergebnisse, die von einem Team unter der Leitung der University of Pennsylvania und der University of Michigan gemeldet wurden, könnten Ingenieuren dabei helfen, mehr Kontrolle über den Aufbau von Materialien zu haben, die die gewünschten Eigenschaften jedes Partikels vereinen – wie Photolumineszenz, Magnetismus und die Fähigkeit, Elektrizität zu leiten.

„Wir entwerfen neue Materialien, die verschiedene Arten von Funktionen auf eine Weise kombinieren, die mit den Materialien, die wir heute haben, nicht möglich ist“, sagte Sharon Glotzer, Lehrstuhlinhaberin für Chemieingenieurwesen an der University of Michigan bei Anthony C. Lembke und Mitautorin der Studie veröffentlicht in Natursynthese.

Die Verbundstrukturen sind eine Art binäres Nanokristall-Übergitter und könnten für elektronische Geräte, optische Geräte sowie Energieerzeugung und -speicherung verwendet werden.

„Die Kombination von photolumineszierenden und magnetischen Nanopartikeln könnte es beispielsweise ermöglichen, die Farbe eines Lasers mithilfe eines Magnetfelds zu ändern“, sagte Emanuele Marino, Mitautor der Arbeit und ehemaliger Postdoktorand an der University of Pennsylvania.

Normalerweise erzeugen Ingenieure binäre Nanokristall-Übergitter, indem sie Nanopartikel-Bausteine ​​in einer Lösung mischen und einen Tropfen der Lösung trocknen lassen. Beim Schrumpfen des Tropfens verbinden sich die Partikel zu den gewünschten Überstrukturen. Anschließend bestrahlen Ingenieure die Kristalle mit Röntgenstrahlen, um die resultierenden Nanokristallstrukturen zu sehen. Jede Kristallstruktur streut Röntgenstrahlen in einem einzigartigen Muster, das als Fingerabdruck zur Identifizierung der Kristalle dient.

Zu sehen, wie sich diese Kristalle in Echtzeit zusammensetzen, war eine wissenschaftliche Herausforderung, da sie sich für die meisten Röntgenstreutechniken zu schnell bilden. Ohne die Schritte zu erkennen, die zur endgültigen Struktur führen, müssen Wissenschaftler rätseln, wie ihre Nanokristallmischungen zu Überstrukturen führen.

„Wenn wir herausfinden, wie diese Materialien miteinander reagieren, können wir eine umfassendere Bibliothek der Strukturen aufbauen, die sie bei ihrer Kombination bilden können“, sagte Christopher Murray, Professor für Chemie an der Richard Perry University an der University of Pennsylvania und Mitkorrespondent Autor der Studie.

Das Team erstellte die ersten Echtzeit-Röntgenstreuungsmessungen der Übergitter, indem es den Montageprozess verlangsamte und mit Hilfe der National Synchrotron Light Source II am Brookhaven National Laboratory in Upton, New York, schnellere Röntgenstreuungstechniken verwendete.

„Der hohe Röntgenfluss und die schnelle Datenerfassung der Anlage könnten mit der Geschwindigkeit mithalten, mit der sich die Kristalle bildeten“, sagte Esther Tsai, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Brookhaven National Laboratory und Mitautorin der Studie.

Um den Gitteraufbau zu verlangsamen, mischten die Forscher verschiedene Nanopartikel in eine Ölemulsion – fast wie ein magnetisches Salatdressing – und gaben die Emulsion dann in Wasser. Die Nanopartikelmischung schrumpfte, als das Öl in das Wasser diffundierte, allerdings viel langsamer im Vergleich zur herkömmlichen Lufttrocknungsmethode.

Nach einer anfänglichen, schnellen Wachstumsphase, die bis zu fünf Minuten dauert, kommen die Nanokristalle zusammen, indem sie über drei bis fünf Stunden langsam den letzten Rest des Öls ausstoßen.

Der Blick auf die entstehenden Kristalle ermöglichte es dem Team der University of Michigan, die Physik abzuleiten, die erklärt, wie sich die Gitter bildeten, und den Prozess mithilfe von Computersimulationen zu modellieren.

„Mit zeitlichen Informationen aus Experimenten können wir ein Vorhersagemodell erstellen, das nicht nur die endgültige Struktur, sondern den gesamten Aufbauweg der Struktur reproduziert“, sagte Sharon Glotzer, Lehrstuhlinhaberin für Chemieingenieurwesen am Anthony C. Lembke Department an der University of Michigan und Co- Korrespondierender Autor der Studie.

Das Team entdeckte, dass der Aufbau binärer Nanokristall-Übergitter durch Anziehungen über kurze Entfernungen zwischen den Nanopartikel-Bausteinen erfolgt, unabhängig von der Art der verwendeten Nanopartikel, und „bestätigte außerdem, dass sich vor dem endgültigen Kristall keine Zwischenphasen gebildet haben, und zwar auf der Oberfläche der Emulsionströpfchen.“ spielen bei der Bildung des Kristalls keine Rolle“, sagte Allen LaCour, ein ehemaliger Doktorand der Chemieingenieurwissenschaften an der University of Michigan und Co-Erstautor der Studie.

Ohne andere erklärende Faktoren kamen die Simulationen zu dem Schluss, dass die Stärke der Nanokristall-Wechselwirkungen der Hauptfaktor ist, der die Übergitterstruktur in den schrumpfenden Tröpfchen bestimmt. Die Wechselwirkungsstärke kann durch die Größe und elektrische Ladung der Partikel oder durch die Zugabe bestimmter Elemente zu den Partikeln verändert werden. Die Computermodelle des UM-Teams können die Auswirkungen dieser Änderungen simulieren.