Assisterande fysiker Zhang Jiang (från vänster) undersöker en röntgendiffraktion när fysikern Jin Wang och nanoforskaren Xiao-Min Lin förbereder ett prov vid en av den avancerade fotonkällans strållinjer. Argonne-forskarna har undersökt kristallisering av nanopartiklar i detalj utan motstycke med hjälp av kraftfulla röntgenstrålar från APS.
(PhysOrg.com) -- Ett samarbete mellan Advanced Photon Source och Center for Nanoscale Materials vid Argonne National Laboratory har "sett" kristalliseringen av nanopartiklar i oöverträffad detalj.
"Nanovetenskap är en het fråga just nu, och människor försöker skapa egenmonterade nanopartikelmatriser för data- och minneslagring, ”, Sade assistentfysiker Argonne Zhang Jiang. "I dessa enheter, graden av beställning är en viktig faktor.”
För att ta fram en specifik bit data, det är idealiskt att lagra information på ett tvådimensionellt kristallgitter med väldefinierade grafiska koordinater. Till exempel, varje bit av information i en låt som sparas på en hårddisk måste lagras på specifika platser, så det kan hämtas senare. Dock, i de flesta fallen, defekter är inneboende i nanopartikelkristallgitter.
"Defekter i ett galler är som gropar på en väg, ”, sa Argonne-fysikern Jin Wang. "När du kör på motorvägen, du skulle vilja veta om det kommer att bli en smidig körning eller om du måste sicksacka för att undvika ett slitet däck. Också, du vill veta hur gropen bildas i första hand, så vi kan eliminera dem."
Att kontrollera graden av ordning i nanopartikelmatriser har varit svårfångat. Antalet nanopartiklar en kemist kan göra i en liten volym är förvånansvärt stort.
"Vi kan rutinmässigt producera 10 14 partiklar i några droppar lösning. Det är fler än antalet stjärnor i Vintergatans galax, ”Argonne nanovetenskapare Xiao-Min Lin. "Att hitta förhållanden under vilka nanopartiklar kan självmontera till ett kristallgitter med ett lågt antal defekter är ganska utmanande."
Eftersom nanopartiklar är så små, det är inte lätt att se hur ordnat gallret är under självmonteringsprocessen. Elektronmikroskopi kan se enskilda nanopartiklar, men synfältet är för litet för att forskare ska kunna få en "stor bild" av hur ordningen är i makroskopisk längdskala. Det fungerar inte heller för våta lösningar.
"Med lokal beställning, man kan inte anta att samma ordning existerar genom hela strukturen; det är som att se en vägsträcka och anta att den är rak och välbyggd hela vägen till slutet, sa Wang.
Samma grupp forskare på Argonne, tillsammans med sina medarbetare vid University of Chicago, upptäckte att under de rätta förhållandena, nanopartiklar kan flyta på en vätske-luft-gränsyta av en torkande vätskedroppe och bli självorganiserade.
Detta gör att den tvådimensionella kristallisationsprocessen kan ske över en mycket längre tidsskala. "Du förväntar dig vanligtvis inte att metallpartiklar flyter. Det är som att kasta stenar i en damm och förvänta sig att de ska flyta på ytan, sa Lin. "Men i nanovärlden, saker beter sig annorlunda."
Genom att använda högupplöst röntgenspridning vid Advanced Photon Source (APS), Jiang och de andra undersökte kristalliseringsprocessen i oöverträffad detalj som den bildas i realtid. De upptäckte att nanopartikelmatriserna som bildas vid vätske-luftgränssnittet kan komma in i en regim av en mycket kristallin fas definierad i den klassiska tvådimensionella kristallteorin. Först när lösningsmedlet börjar avfukta från ytan, börjar defekter och störningar dyka upp.
"Vi kan undersöka hela makroskopiska provet och övervaka vad som händer i realtid, sa Jiang. "Detta låter oss förstå vilka parametrar som är viktiga för att kontrollera självmonteringsprocessen."
Med denna nivå av förståelse, forskarna hoppas att enheter som iPod Nano en dag kan tillverkas av nanopartiklar.
En artikel om denna forskning publicerades i Nanobokstäver .
