Forskare från University of Illinois i Urbana-Champaign och Northwestern University har gjort det möjligt att observera och simulera självmontering av kristallina material med en mycket högre upplösning än tidigare.

Med hjälp av datormodellering och en avbildningsteknik som kallas vätskefaselektronmikroskopi, laget identifierade de enskilda rörelserna för små nanoskala partiklar när de orienterar sig i kristallgitter. Arbetet bekräftar att syntetiska nanopartiklar - de grundläggande byggstenarna i många syntetiska och biologiska material - kan sättas ihop på ett mycket mer komplext sätt än större partiklar, sa forskarna, och banar väg för mer allmänna tillämpningar för mineralisering, läkemedel, optik och elektronik.

Den nya studien, ledd av Qian Chen, en professor i materialvetenskap och teknik vid U. of I., och Erik Luijten, en nordvästra professor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och i ingenjörsvetenskap och tillämpad matematik, publiceras i tidskriften Naturmaterial .

"Bildbehandling och modellering utförs rutinmässigt för partiklar med en storlek på cirka 1 mikrometer, sade Luijten, som ledde beräkningsmodelleringsdelen av studien. "Här, vi har nyutvecklade tekniker som kan göra detta för partiklar som är 100 nanometer stora - 10 gånger mindre än tidigare. "

Eftersom nanopartiklar är mycket små och interagerar i flytande lösningar, att verifiera deras kristallisationsvägar genom direkt observation var inte möjligt före vätskefaselektronmikroskopi, sa Chen, som ledde den experimentella delen av studien.

Chens team utförde laboratorieexperiment med små guldprismor i en vätska, tittar noga på när partiklarna började interagera med varandra.

"Partiklarna börjar staplas ihop och bilda kolumner, men de gör det på ett felaktigt sätt innan de slutligen packas tätt och kristalliseras till ordnade kristaller, sade Zihao Ou, en U. av I. doktorand och studiemedförfattare.

"Vad vi har observerat är en mellanliggande amorf fas som inträffar längs kristalliseringsvägen för nanopartiklar - något som inte bevittnas innan detta arbete, " sa Chen.

Dock, det finns detaljer om kristallisationsvägar som inte kan mätas genom avbildning ensam, sa forskarna.

"Våra datorsimuleringar, utvecklad av Northwestern University doktorand Ziwei Wang, låt oss reda ut detaljerna i de grundläggande drivkrafterna bakom nanopartikelrörelse och kristallisering, ", sa Luijten. "Det visar sig att slumpmässighet i orienteringen av partiklarna leder till en annan typ av kristallisation på större skalor. Det är en uppfattning som föreslogs av experimentella data, men det krävdes verkligen simuleringar för att bekräfta denna princip."

Forskarna tänker sig ett brett spektrum av tillämpningar för denna utveckling, från att förstå hur proteiner sätter sig själv till nanoskalans fysik bakom nya batterimaterial, till exempel.

"Forskare vill veta hur man kontrollerar syntesen av kristallina material så att de kan konstruera nya material, sa Binbin Luo, en U. av I. doktorand och studiemedförfattare. "Att förstå exakt hur denna process sker är avgörande för den kontrollen."