Hemligheten bakom ett långt dolt magiskt trick bakom självmonteringen av nanokristallstrukturer börjar avslöjas.

Omvandlingen av enkla kolloidala partiklar - bitar av material suspenderade i lösning - till tätt packade, vackra spetsliknande maskor, eller supergaller, har förbryllat forskare i årtionden. Fina bilder i sig, dessa små supergaller, kallas även kvantprickar, används för att skapa mer levande skärmar såväl som matriser för optiska sensoriska enheter. Den ultimata potentialen för kvantpunkter för att göra vilken yta som helst till en smart skärm eller energikälla gångjärn, till viss del, på att förstå hur de bildas.

Genom en kombination av tekniker, inklusive kontrollerad avdunstning av lösningsmedel och synkrotronröntgenspridning, realtids självmontering av nanokristallstrukturer har nu blivit observerbar på plats. Resultaten rapporterades i tidningen Naturmaterial i ett papper av biträdande professor William A. Tisdale och studenten Mark C. Weidman, både vid MIT:s avdelning för kemiteknik, och Detlef-M. Smilgies vid Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS).

Forskarna räknar med att deras nya resultat kommer att få konsekvenser för den direkta manipulationen av resulterande superlatt, med möjlighet till tillverkning på begäran och potential att generera principer för bildning av relaterade mjuka material som proteiner och polymerer.

Quantum dot disco

Tisdale och hans kollegor är bland de många grupper som studerar hårda halvledarnanokrystaller med ytor belagda med organiska molekyler. Dessa lösningsbearbetningsbara elektroniska material finns på butikshyllor nu under en mängd olika namn, ingår i allt från belysningsdisplayer till TV -apparater. De ser också efter att göra effektiva solceller och andra energiomvandlingsanordningar på grund av deras enkla tillverkning och låga tillverkningsprocesser.

Det bredare antagandet av dessa nanokristaller till andra energiomvandlingstekniker har varit begränsat, till viss del, av bristen på kunskap om hur de självmonteras, går från kolloidala partiklar (som små frigolitbollar som hänger i en vätska) till supergaller (se samma bollar som nu är torra, packade, och justerad).

Tekniker inklusive elektronmikroskopi och dynamisk ljusspridning har avslöjat några aspekter av det startande kolloidala tillståndet och den slutliga supergitterstrukturen, men de har inte belyst övergången mellan dessa två stater. Faktiskt, sådant grundläggande arbete går tillbaka till mitten av 1990-talet med Moungi Bawendis grupp vid MIT.

"Under de senaste 10 till 15 åren har mycket framsteg har gjorts med att göra mycket vackra nanokristallstrukturer, "Säger Tisdale." Men det finns fortfarande mycket debatt om varför de samlas i varje konfiguration. Är det ligandentropi eller fasaden av nanokristaller? Den djup information som ges genom att se hela självorganisationsprocessen utvecklas i realtid kan hjälpa till att svara på dessa frågor. "

Hemligheternas kammare

För att göra filmen nanoskala ovan, Tisdales doktorand och medförfattare Mark Weidman utnyttjade en Cornell-utvecklad experimentell kammare och en nyligen utvecklad dubbeldetektoruppställning med två snabba områdedetektorer, medan miljöförhållandena ändrades under bildandet av supergitter. Användning av blysulfid -nanokristaller, Weidman kunde utföra samtidiga småvinkliga röntgenspridningar (fånga strukturen i supergitteret) och vidvinkelröntgenstrålning (fånga atomskala orientering och inriktning av enstaka partiklar) observationer under avdunstning av ett lösningsmedel.

"Vi tror att detta var det första experimentet som har gjort det möjligt för oss att se i realtid och i en inhemsk miljö hur självmontering sker, "Tisdale säger." Dessa experiment hade inte varit möjliga utan de experimentella möjligheter som utvecklats av Detlef och CHESS -teamet. "

Användningen av nanokristaller med ett tungt element (bly) och ljusstyrkan för synkrotronröntgenkällan möjliggjorde tillräckligt snabb datainsamling så att självmontering kunde observeras i realtid, vilket resulterar i övertygande bilder och filmer av processen.

Ett fint nät

Upptäckten kan leda till raffinerade modeller för självmontering av ett brett utbud av organiska mjuka material. Dessutom, förmågan att se strukturen när den utvecklas i realtid har också ett löfte om att ingripa eller styra systemet till önskade konfigurationer, presentera en framtida guide för att skapa superlattices.

Tisdale säger att mycket mer arbete måste göras för att få insikter om varför nanokristaller samlar sig själva som de gör. Han och hans team planerar att använda sin nya teknik för att manipulera parametrar som lösningsmedelsförhållanden samt storlek och form av nanokristaller, och för att närmare studera liganderna på ytan eftersom de verkar vara den viktigaste drivkraften för självmontering.

"Vi hoppas att denna studie och teknik kommer att bidra till att öka vår förståelse för kolloidal självmontering och, i längden, gör det möjligt för oss att rikta nanoskala självmontering mot en önskad struktur, "Tillägger Weidman.