Ett internationellt team ledd av Empa och ETH Zürich forskare leker med formkonstruerade nanoskala byggstenar som är upp till 100 gånger större än atomer och joner. Och även om dessa nano-"legoklossar" interagerar med varandra med krafter som är mycket olika och mycket svagare än de som håller samman atomer och joner, de bildar kristaller helt av sig själva, vars strukturer liknar de naturliga mineralerna. Dessa nya megakristaller eller supergaller som är avbildade på omslaget till senaste numret av Natur uppvisar unika egenskaper som superfluorescens - och kan mycket väl inleda en ny era inom materialvetenskap.

För att verkligen uppskatta vad ett team av forskare ledda av Maksym Kovalenko och Maryna Bodnarchuk har uppnått, det är bäst att börja med något vardagligt:​​Kristaller av bordssalt (även känd som stensalt) är bekanta för alla som någonsin har behövt krydda en öppet intetsägande lunch. Natriumklorid - NaCl i kemiska termer - är namnet på den hjälpsamma kemikalien; den består av positivt laddade natriumjoner (Na+) och negativt laddade kloridjoner (Cl-). Du kan föreställa dig jonerna som pärlor som starkt attraherar varandra och bildar tätt packade och stela kristaller som de vi kan se i en saltshaker.

Många naturligt förekommande mineral består av joner - positiva metalljoner och negativa joner, som ordnar sig i olika kristallstrukturer beroende på deras relativa storlekar. Dessutom, det finns strukturer som diamant och kisel:Dessa kristaller består av endast en sorts atomer – kol i fallet med diamant –, men, liknande mineraler, atomerna hålls också samman av starka bindningskrafter.

Nya byggstenar för en ny typ av materia

Tänk om alla dessa starka bindningskrafter mellan atomer kunde elimineras? I atomernas rike, med all kvantmekanik i spel, detta skulle inte ge en molekyl eller ett fast tillstånd, åtminstone vid omgivningsförhållanden. "Men modern kemi kan producera alternativa byggstenar som verkligen kan ha mycket olika interaktioner än de mellan atomer, säger Maksym Kovalenko, Empa-forskare och professor i kemi vid ETH Zürich. "De kan vara hårda som biljardbollar i en mening att de bara känner av varandra när de kolliderar. Eller så kan de vara mjukare på ytorna, som tennisbollar. Dessutom, de kan byggas i många olika former:inte bara sfärer, men också kuber eller andra polyedrar, eller fler anisotropa enheter."

Sådana byggstenar är gjorda av hundratals eller tusentals atomer och är kända som oorganiska nanokristaller. Kovalenkos team av kemister vid Empa och ETH kan syntetisera dem i stora mängder med en hög grad av enhetlighet. Kovalenko och Bodnarchuk, och några av deras kollegor över hela världen, har arbetat i cirka 20 år nu med den här typen av byggstenar. Forskarna kallar dem "Lego-material" eftersom de bildar långväga ordnade täta gitter som kallas supergitter.

Det hade länge spekulerats i att en blandning av olika typer av nanokristaller skulle möjliggöra konstruktion av helt nya supramolekylära strukturer. Den elektroniska, optiska eller magnetiska egenskaper hos sådana flerkomponentaggregat skulle förväntas vara en sammanblandning av egenskaperna hos de individuella komponenterna. Under de första åren, arbetet hade fokuserat på att blanda sfärer av olika storlekar, vilket resulterar i dussintals olika supergitter med packningsstrukturer som efterliknar vanliga kristallstrukturer, som bordssalt – om än med kristallenhetsceller tio till 100 gånger större.

Med deras senaste artikel i Natur , teamet ledd av Kovalenko och Bodnarchuk lyckades nu utöka kunskapen mycket ytterligare:De satte sig för att studera en blandning av olika former – sfärer och kuber till att börja med. Denna till synes enkla avvikelse från mainstream ledde omedelbart till väldigt olika observationer. Dessutom, de valda kuberna, nämligen kolloidala cesium blyhalogenid perovskit nanokristaller, är kända som några av de ljusaste ljussändare som har utvecklats hittills, ända sedan deras uppfinning av samma team för sex år sedan. Supergittren som forskarna fick är inte bara speciella när det gäller deras struktur, men också med avseende på vissa av deras egenskaper. Särskilt, de uppvisar superfluorescens – det vill säga, ljuset bestrålas på ett kollektivt sätt och mycket snabbare än vad samma nanokristaller kan åstadkomma i sitt konventionella tillstånd, inbäddad i en vätska eller ett pulver.

Entropi som en beordrande kraft?

När du blandar sfärer och kuber, Underbara saker händer:Nanokristallerna ordnar sig för att bilda strukturer som är bekanta från mineralvärlden som perovskiter eller stensalt. Alla dessa strukturer, dock, är 100 gånger större än sina motsvarigheter i konventionella kristaller. Vad mer:En perovskitliknande struktur hade aldrig tidigare observerats vid sammansättningen av sådana icke-interagerande nanokristaller.

Speciellt nyfiken:Dessa högordnade strukturer skapas enbart av entropins kraft - det vill säga, naturens ständiga strävan att orsaka maximal oordning. Vilket perfekt naturskämt! Denna paradoxala sammanställning inträffar därför att under kristallbildning, partiklarna tenderar att använda utrymmet runt dem mest effektivt för att maximera sin rörelsefrihet under de sena stadierna av lösningsmedelsavdunstning, d.v.s. innan de "fryss" i sina eventuella kristallgitterpositioner. I detta avseende formen på de individuella nanokristallerna spelar en avgörande roll – mjuka perovskitkuber möjliggör en mycket tätare packning än vad som är möjligt i helt sfäriska blandningar. Således, entropins kraft gör att nanokristallerna alltid ordnar sig i tätast möjliga packning - så länge de är utformade så att de inte attraherar eller stöter bort varandra på annat sätt, såsom elektrostatik.

En ny vetenskaps gryning

"Vi har sett att vi kan göra nya strukturer med hög tillförlitlighet, " säger Maksym Kovalenko. "Och detta väcker nu många fler frågor; vi är fortfarande i början:Vilka fysikaliska egenskaper uppvisar sådana svagt bundna supergitter och vad är förhållandet struktur-egenskap? Kan de användas för vissa tekniska tillämpningar, säga, i optisk kvantberäkning eller i kvantavbildning? Enligt vilka matematiska lagar bildar de? Är de verkligen termodynamiskt stabila eller bara kinetiskt fångade?" Kovalenko söker nu efter teoretiker som kanske kan förutsäga vad som ännu kan hända.

"Vi kommer så småningom att upptäcka helt nya klasser av kristaller, " spekulerar han, "ettor, som det inte finns några naturliga modeller för. De måste sedan mätas, klassificeras och beskrivs." Efter att ha skrivit det första kapitlet i läroboken för en ny typ av kemi, Kovalenko är mer än redo att leverera sin del för att få det att hända så snabbt som möjligt. "Vi experimenterar nu med skiv- och cylinderformade nanokristalliter. Och vi är mycket glada över att se de nya strukturerna de möjliggör, " han säger.