Berkeley Lab -forskare har rapporterat den första direkta observationen av nanopartiklar som genomgår orienterad fastsättning, det kritiska steget i biomineralisering och tillväxten av nanokristaller. En bättre förståelse av orienterad infästning i nanopartiklar är en nyckel för att syntetisera nya material med anmärkningsvärda strukturella egenskaper.

Genom biomineralisering, naturen kan producera sådana tekniska underverk som pärlemor, eller nacre, det inre fodret av abalone -skal är känt för både sin iriserande skönhet och fantastiska seghet. Nyckeln till biomineralisering är fenomenet som kallas "orienterad anknytning, "varigenom intilliggande nanopartiklar ansluter till varandra i en gemensam kristallografisk orientering. Medan vikten av orienterad koppling till biominerala egenskaper länge har erkänts, mekanismen genom vilken det sker har förblivit ett mysterium. Med en bättre förståelse av orienterad infästning bör det vara möjligt att syntetisera nya material med anmärkningsvärda strukturella egenskaper. För detta ändamål, ett team av forskare med US Department of Energy (DOE) s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har rapporterat den första direkta observationen av vad de har kallat "hoppa-till-kontakt, "det kritiska steget i orienterad anknytning.

"Den direkta observationen av de translationella och rotationsaccelerationer som är associerade med hopp-till-kontakten mellan nanopartiklar gjorde det möjligt för oss att beräkna de krafter som driver orienterad infästning, "sa Jim DeYoreo, en forskare med Molecular Foundry, ett DOE -nanovetenskapscenter vid Berkeley Lab där denna forskning ägde rum. "Detta ger oss en grund för att testa modeller och simuleringar som kan öppna dörren för att använda orienterad infästning vid syntesen av unika nya material."

DeYoreo är motsvarande författare till ett papper i tidningen Vetenskap som beskriver denna forskning med titeln "Riktningsspecifika interaktioner styr kristalltillväxt genom orienterad infästning." Medförfattare till detta papper var Dongsheng Li, Michael Nielsen, Jonathan Lee, Cathrine Frandsen och Jillian Banfield.

Ända sedan en studie år 2000 ledd av medförfattaren Banfield avslöjade förekomsten av nanopartikelorienterad infästning, det har blivit allmänt erkänt att fenomenet är en viktig mekanism för kristalltillväxt i många naturliga och biomimetiska material, liksom i syntesen av nanotrådar.

"Sådana nanokristallsystem uppvisar ofta komplexa former som sträcker sig från kvasi-endimensionella kedjor till tredimensionella hierarkiska överbyggnader, men vanligtvis diffrakt som en enda kristall, vilket innebär att de primära partiklarna genomgått inriktning under tillväxt, "säger Li, första författare till Science paper och medlem i DeYoreos forskargrupp. "När partikeljustering åtföljs av koalescens, denna tillväxt karakteriseras som orienterad anknytning, dock, den väg genom vilken nanopartiklar blir inriktade och fästa har varit dåligt förstått. "

För att lära dig mer om interaktioner och krafter som driver orienterad koppling, forskarna i Berkeley studerade den tidiga kristalltillväxten av nanopartiklar av järnoxid. Järnoxider är rikliga i jordskorpan och spelar en viktig roll i de biogeokemiska processerna som formar miljöer nära ytan. Med hjälp av en flytande cell av kisel monterad i ett högupplöst transmissionselektronmikroskop vid Molecular Foundry, forskargruppen tog bilder med tillräcklig upplösning för att spåra nanopartikelorienteringar under kristallernas tillväxt.

"Vi observerade partiklarna som genomgår kontinuerlig rotation och interaktion tills de hittade en perfekt gittermatch, vid vilken ett plötsligt hopp-till-kontakt inträffade över ett avstånd på mindre än en nanometer, "Säger DeYoreo." Detta hopp-till-kontakt följs av laterala atom-för-atom-tillägg initierade vid kontaktpunkten. De uppmätta translationella och rotationsaccelerationerna visar att starka, mycket riktningsspecifika interaktioner driver kristalltillväxt via orienterad bilaga. "

Informationen från denna undersökning om den orienterade fastsättningen av järnoxid -nanopartiklar bör vara tillämplig inte bara på framtida syntes av biomimetiska material, men också till miljöreparationsinsatser. Forskare vet nu att mineralisering i naturliga miljöer ofta sker genom fästning av partiklar och partiklar och spelar en viktig roll i avskiljningen av föroreningar. Att förstå krafterna bakom orienterad fastsättning bör också främja utvecklingen av grenade eller trädliknande halvledar-nanotrådar, strukturer där en eller flera sekundära nanotrådar växer radiellt från en primär nanotråd.

"Förgrenade halvledar -nanotrådar drivs för applikationer inom fotokatalys, solceller och nanoelektronik på grund av deras stora ytor, små diametrar, och förmåga att bilda naturliga knutpunkter, "DeYoreo säger." En förståelse av de bakomliggande mekanismerna som styr nanotrådsförgrening bör hjälpa materialforskare att utveckla effektivare strategier för att producera dessa material. "