Några av världens minsta kristaller är kända som "konstgjorda atomer" eftersom de kan organisera sig i strukturer som ser ut som molekyler, inklusive "supergaller" som är potentiella byggstenar för nya material.
Nu har forskare från Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University gjort den första observationen av dessa nanokristaller som snabbt bildar supergitter medan de själva fortfarande växer. Det de lär sig kommer att hjälpa forskare att finjustera monteringsprocessen och anpassa den för att göra nya typer av material för saker som magnetisk lagring, solceller, optoelektronik och katalysatorer som påskyndar kemiska reaktioner.
Nyckeln till att få det att fungera var den otroliga upptäckten att supergitter kan bildas supersnabbt - på sekunder snarare än de vanliga timmarna eller dagarna - under rutinsyntesen av nanokristaller. Forskarna använde en kraftfull stråle av röntgenstrålar vid SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) för att observera tillväxten av nanokristaller och den snabba bildningen av supergitter i realtid.
En artikel som beskriver forskningen, som gjordes i samarbete med forskare vid DOE:s Argonne National Laboratory, publicerades idag i Natur .
"Tanken är att se om vi kan få en oberoende förståelse för hur dessa supergitter växer så att vi kan göra dem mer enhetliga och kontrollera deras egenskaper, sa Chris Tassone, en stabsforskare vid SSRL som ledde studien med Matteo Cargnello, biträdande professor i kemiteknik vid Stanford
Små kristaller med överdimensionerade egenskaper
Forskare har tillverkat nanokristaller i labbet sedan 1980-talet. På grund av sin lilla storlek - de är miljarddels meter breda och innehåller bara 100 till 10, 000 atomer styck – de styrs av kvantmekanikens lagar, och detta ger dem intressanta egenskaper som kan ändras genom att variera deras storlek, form och sammansättning. Till exempel, sfäriska nanokristaller kända som kvantprickar, som är gjorda av halvledande material, glöd i färger som beror på deras storlek; de används i biologisk avbildning och senast i högupplösta TV-skärmar.
I början av 1990-talet forskare började använda nanokristaller för att bygga supergitter, som har den ordnade strukturen av vanliga kristaller, men med små partiklar i stället för enskilda atomer. Dessa, för, förväntas ha ovanliga egenskaper som är mer än summan av deras delar.
Men tills nu, supergitter har odlats långsamt vid låga temperaturer, ibland på några dagar.
Det ändrades i februari 2016, när Stanford postdoktorala forskare Liheng Wu utan tvekan upptäckte att processen kan ske mycket snabbare än forskare hade trott.
"Något konstigt händer"
Han försökte göra nanokristaller av palladium - en silverfärgad metall som används för att främja kemiska reaktioner i katalysatorer och många industriella processer - genom att värma en lösning som innehåller palladiumatomer till mer än 230 grader Celsius. Målet var att förstå hur dessa små partiklar bildas, så att deras storlek och andra egenskaper lättare kan justeras.
Teamet lade till små fönster till en reaktionskammare ungefär lika stor som en mandarin så att de kunde lysa en SSRL-röntgenstråle genom den och se vad som hände i realtid.
"Det är ungefär som att laga mat, Cargnello förklarade. "Reaktionskammaren är som en panna. Vi tillsätter ett lösningsmedel, som är som frityroljan; huvudingredienserna för nanokristallerna, såsom palladium; och kryddor, som i det här fallet är tensidföreningar som ställer in reaktionsförhållandena så att du kan kontrollera storleken och sammansättningen av partiklarna. När du har lagt till allt i pannan, du värmer upp det och steker dina saker."
Wu och Stanfords doktorand Joshua Willis förväntade sig att se det karakteristiska mönstret som skapades av röntgenstrålar som spreds bort från de små partiklarna. De såg istället ett helt annat mönster.
"Så något konstigt händer, " de smsade sin rådgivare.
Det konstiga var att nanokristallerna av palladium sattes ihop till supergaller.
En kraftbalans
Vid denna tidpunkt, "Utmaningen var att förstå vad som för samman partiklarna och attraherar dem till varandra men inte för starkt, så att de har utrymme att vicka runt och slå sig ner i en ordnad position, sa Jian Qin, en biträdande professor i kemiteknik vid Stanford som utförde teoretiska beräkningar för att bättre förstå självmonteringsprocessen.
När nanokristallerna väl bildas, vad som verkar hända är att de får en sorts hårig beläggning av ytaktiva molekyler. Nanokristallerna glittrar tillsammans, attraheras av svaga krafter mellan sina kärnor, och sedan håller en finstämd balans av attraktionskrafter och frånstötande krafter mellan de dinglande ytaktiva molekylerna dem i precis rätt konfiguration för att supergittret ska växa.
Till forskarnas förvåning, de enskilda nanokristallerna fortsatte sedan att växa, tillsammans med supergaller, tills alla kemiska ingredienser i lösningen var förbrukade, och denna oväntade ökade tillväxt fick materialet att svälla. Forskarna sa att de tror att detta förekommer i ett brett spektrum av nanokristallsystem, men hade aldrig setts eftersom det inte fanns något sätt att observera det i realtid innan teamets experiment vid SSRL.
"När vi förstod det här systemet, vi insåg att denna process kan vara mer allmän än vi först trodde, " sa Wu. "Vi har visat att det inte bara är begränsat till metaller, men det kan också utvidgas till halvledande material och mycket troligt till en mycket större uppsättning material."
Teamet har gjort uppföljningsexperiment för att ta reda på mer om hur supergittren växer och hur de kan justera storleken, sammansättning och egenskaper hos den färdiga produkten.
