Exakt ordning i tvådimensionella (2-D) och tredimensionella (3-D) supergitter bildade av självmontering av individuella nanokristaller (NC) möjliggör kontroll av magnetiska, optisk, och elektronisk koppling mellan de enskilda NC:erna. Denna kontroll kan leda till användbara kollektiva egenskaper som vibrationskoherens, reversibla metall-till-isolator-övergångar, förbättrad konduktivitet, spinnberoende elektrontransport, förbättrad ferro- och ferrimagnetism, avstämbar magnetotransport, och effektiv avgiftstransport. Dessa egenskaper har många potentiella tillämpningar i solceller, fälteffekttransistorer, ljusavgivande anordningar, fotodetektorer, och fotoledare.

På grund av exakt positionering av NC:erna inom ett 3-D supergitter, sådana system kallas ofta för "superkristaller" (SC) i analogi med kristaller byggda av atomer. Men till skillnad från atomkristallerna, SC:er erbjuder flexibiliteten att justera avståndet mellan partiklarna på grund av närvaron av det "mjuka" skalet av organiska ligander som kan användas för att kontrollera kollektiva egenskaper i sådana strukturer. Strukturell stabilitet och kompressibilitet är grundläggande egenskaper hos alla 3D-system.

Ett team av forskare från Argonne National Laboratory Center for Nanoscale Materials, röntgenvetenskapsavdelningen vid Argonne Advanced Photon Source (APS), University of Chicagos GeoSoilEnviroCARS, som driver sektor 13 vid APS, och Northwestern University har rapporterat om den första kombinerade kvasi-hydrostatiska, högt tryck, småvinklar röntgenspridning (SAXS) och mikroröntgendiffraktion (XRD) studier på individuella facetter, 3-D superkristaller självmonterade från kolloidala 7,0-nm PbS nanokristaller. Kombinationen av SAXS- och XRD-teknikerna möjliggjorde en exakt utvärdering av avståndet mellan partiklarna under tryckcykeln eftersom volymförändringen av de individuella NC:erna togs med i beräkningen. Neon användes som ett trycköverföringsmedium för att undvika möjligheten av urlakning av organiska ligander från ytan av NCs och förlora den strukturella integriteten hos SCs på grund av sintring. Diamantstädcell (DAC) SAXS-experiment i tryckintervallet från omgivande till 12,5 GPa, utförs vid X-ray Science Division röntgenstrållinje 12-ID-C vid APS, avslöjade nästan perfekt strukturell stabilitet hos SC:erna, med fcc organisation av NCs. XRD-experimenten, som utfördes vid GeoSoilEnviroCARS röntgenstrållinje 13-ID-D vid APS, visade att NC:er har stark preferensorientering av individuella NC:er i SC:er upp till ~55 GPa som bevaras under tryckcykling.

De mekaniska egenskaperna hos de enskilda NC:erna, deras SC:er, och ligandmatrisen analyserades med användning av ekvationen av tillstånd härledda från kompressionsdata producerade av SAXS och XRD. Omgivande tryckbulkmodul för SCs beräknades till ~5 GPa under kompression och ~14,5 GPa under frigöringscykeln, respektive. NC:er visade sig genomgå första ordningens fasövergång över 8 GPa, och transformationen fortsätter genom en enda kärnbildningshändelse (inom ett tryckområde på 8,1-9,2 GPa) under den första övergången, och heterogen kärnbildning under den andra transformationen från den mellanliggande fasen (som ännu inte är identifierad) till CsCl-strukturen. En bulkmodul för ligandmatrisen på ~2,2-2,95 GPa är en storleksordning större än den som observerats från nanoindentationsstudie.

Den höga strukturella stabiliteten hos SC:erna och förmågan att justera avståndet mellan partiklarna verkar erbjuda löftet om ytterligare manipulation av de kollektiva egenskaperna hos självorganiserade konstgjorda fasta ämnen inklusive strukturerna som bestod av NC:er omvandlade vid högt tryck till en annan fas. Att kombinera högtrycks XRD och SAXS ger unika möjligheter att få direkt information om de mekaniska egenskaperna hos enskilda byggstenar och deras hierarkiska arkitekturer.