Ett team av forskare vid det amerikanska energidepartementets Argonne National Laboratory och Carnegie Institution of Washington har lyckats "se" nanopartiklar växa i realtid.

Den revolutionerande tekniken gör det möjligt för forskare att lära sig om de tidiga stadierna av generering av nanopartiklar, länge ett mysterium på grund av otillräckliga sonderingsmetoder, och kan leda till förbättrad prestanda hos nanomaterialen i applikationer inklusive solceller, avkänning och mer.

"Nanokristalltillväxt är grunden för nanoteknik, " sa ledande forskare Yugang Sun, en Argonne-kemist. "Att förstå det kommer att göra det möjligt för forskare att mer exakt skräddarsy nya och fascinerande nanopartikelegenskaper."

Hur nanopartiklar ser ut och beter sig beror på deras arkitektur:storlek, form, textur och ytkemi. Detta, i tur och ordning, beror mycket på de förhållanden under vilka de odlas.

"Att kontrollera nanopartiklar är mycket svårt, Sun förklarade. "Det är ännu svårare att reproducera samma nanopartiklar från batch till batch, eftersom vi fortfarande inte känner till alla förutsättningar för receptet. Temperatur, tryck, fuktighet, föroreningar - de påverkar alla tillväxten, och vi fortsätter att upptäcka fler faktorer."

För att förstå hur nanopartiklar växer, forskarna behövde för att faktiskt se dem i handling. Problemet var att elektronmikroskopi, den vanliga metoden för att se ner i atomnivån av nanopartiklar, kräver ett vakuum. Men många sorters nanokristaller måste växa i ett flytande medium - och vakuumet i ett elektronmikroskop gör detta omöjligt. En speciell tunn cell gör att en liten mängd vätska kan analyseras i ett elektronmikroskop, men det begränsade fortfarande forskarna till ett flytande lager bara 100 nanometer tjockt, vilket skiljer sig väsentligt från de verkliga förutsättningarna för nanopartikelsyntes.

För att lösa denna gåta, Sun fann att han behövde använda röntgenstrålning med mycket hög energi som tillhandahålls vid Sektor 1 av Argonnes Advanced Photon Source (APS), som gränsar till laboratoriets Center for Nanoscale Materials, där han jobbar. Mönstret av röntgenstrålar spridda av provet gjorde det möjligt för forskarna att rekonstruera de tidigaste stadierna av nanokristaller sekund för sekund.

"Denna teknik ger en skattkammare av information, speciellt på kärnbildnings- och tillväxtstegen för kristallerna, som vi aldrig hade kunnat få förut, sa Sun.

Röntgenstrålningens intensitet påverkar tillväxten av nanokristallerna, Sun sa, men effekterna blev betydande först efter en särskilt lång reaktionstid. "Att få en tydlig bild av tillväxtprocessen kommer att tillåta oss att kontrollera prover för att få bättre resultat, och slutligen, nya nanomaterial som kommer att ha ett brett spektrum av tillämpningar, ” förklarade Sun.

Nanomaterialen skulle kunna användas i fotovoltaiska solceller, kemiska och biologiska sensorer och även avbildning. Till exempel, ädelmetallnanoplattor kan absorbera nära-infrarött ljus, så att de kan användas för att förbättra kontrasten i bilder. I ett möjligt fall, en injektion av speciellt skräddarsydda nanopartiklar nära en cancerpatients tumörställe kan öka bildkontrasten mellan normala och cancerceller så att läkarna kan kartlägga tumören exakt.

"Nyckeln till detta genombrott var den unika förmågan för oss att arbeta med forskare från Advanced Photon Source, Center for Nanoscale Materials och Electron Microscopy Center - allt på ett ställe, " sa Sun.