Jahrzehntelang hat ein Lehrbuchverfahren, das als „Ostwald-Reifung“ bekannt ist und nach dem mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Chemiker Wilhelm Ostwald benannt ist, das Design neuer Materialien geleitet, darunter Nanopartikel – winzige Materialien, die so klein sind, dass sie mit bloßem Auge unsichtbar sind.
Nach dieser Theorie lösen sich kleine Partikel auf und lagern sich wieder auf der Oberfläche großer Partikel ab, und die großen Partikel wachsen weiter, bis sich alle kleinen Partikel aufgelöst haben.
Aber jetzt zeigt neues Videomaterial, das von Wissenschaftlern des Berkeley Lab aufgenommen wurde, dass das Wachstum von Nanopartikeln nicht durch Größenunterschiede, sondern durch Defekte gesteuert wird.
Die Wissenschaftler berichteten kürzlich in der Fachzeitschrift über ihre Ergebnisse Naturkommunikation.
„Dies ist ein riesiger Meilenstein. Wir schreiben Lehrbuchchemie neu, und es ist sehr aufregend“, sagte der leitende Autor Haimei Zheng, ein leitender Wissenschaftler in der Abteilung für Materialwissenschaften des Berkeley Lab und außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften und -technik an der UC Berkeley.
Für die Studie suspendierten die Forscher eine Lösung aus Cadmiumsulfid (CdS)-Nanopartikeln mit Cadmiumchlorid (CdCl2) und Chlorwasserstoff (HCl) in einem speziellen Flüssigkeitsprobenhalter. Die Forscher bestrahlten die Lösung mit einem Elektronenstrahl, um Cd-CdCl2-Core-Shell-Nanopartikel (CSNPs) herzustellen, die wie flache, sechseckige Scheiben aussehen, in denen Cadmiumatome den Kern und Cadmiumchlorid die Schale bilden.
Neues Videomaterial, das von Wissenschaftlern des Berkeley Lab aufgenommen wurde, zeigt zum ersten Mal, dass das Wachstum von Nanopartikeln nicht durch Größenunterschiede, sondern durch Defekte gesteuert wird. Bildnachweis: Haimei Zheng/Berkeley Lab
Unter Verwendung einer Technik namens High-Resolution Liquid Cell Transmission Electron Microscopy (LC-TEM) in der Molecular Foundry nahmen die Forscher LC-TEM-Videos im atomaren Maßstab in Echtzeit von Cd-CdCl2-CSNPs auf, die in Lösung reiften.
In einem Schlüsselexperiment zeigt ein LC-TEM-Video ein kleines Cd-CdCl2-Kern-Schale-Nanopartikel, das mit einem großen Cd-CdCl2-CSNP verschmilzt, um ein größeres Cd-CdCl2-CSNP zu bilden. Die Wachstumsrichtung wurde jedoch nicht durch einen Größenunterschied, sondern durch einen Rissdefekt in der Schale des ursprünglich größeren CSNP bestimmt. „Das Ergebnis war sehr unerwartet, aber wir sind mit den Ergebnissen sehr zufrieden“, sagte Qiubo Zhang, Erstautor und Postdoktorand in der Abteilung für Materialwissenschaften.
Die Forscher sagen, dass ihre Arbeit das LC-TEM-Video mit der höchsten Auflösung ist, das jemals aufgenommen wurde. Der Fortschritt – die Überwachung, wie Nanopartikel in Lösung in Echtzeit reifen – wurde durch eine maßgeschneiderte, ultradünne „Flüssigkeitszelle“ ermöglicht, die eine winzige Menge Flüssigkeit zwischen zwei Kohlenstofffilmmembranen auf einem Kupfergitter sichert. Die Forscher beobachteten die flüssige Probe durch ThemIS, ein spezialisiertes Elektronenmikroskop an der Molecular Foundry, das in der Lage ist, Änderungen in Flüssigkeiten auf atomarer Ebene mit einer Geschwindigkeit von 40-400 Bildern pro Sekunde aufzuzeichnen. Die Hochvakuumumgebung des Mikroskops hält die flüssige Probe intakt.
„Unsere Studie füllt die Lücke für Nanomaterialumwandlungen, die von der traditionellen Theorie nicht vorhergesagt werden können.“ sagte Zheng, der 2009 im Berkeley Lab Pionierarbeit bei LC-TEM geleistet hat und ein führender Experte auf diesem Gebiet ist. „Ich hoffe, dass unsere Arbeit andere dazu inspiriert, über neue Regeln nachzudenken, um funktionelle Nanomaterialien für neue Anwendungen zu entwickeln.“
Qiubo Zhang et al, Defekt-vermittelte Reifung von Kern-Schale-Nanostrukturen, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-29847-8