Medan en film om gigantiska robotar som genomgår strukturella omvandlingar slår biljettrekord i sommar, en vetenskaplig studie om strukturella omvandlingar inom enstaka nanokristaller bryter ny mark för design av nya material som kommer att tjäna nästa generations energilagringsbatterier och enheter för skörd av solenergi. Forskare vid US Department of Energy (DOE) s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har rapporterat den första direkta observationen av strukturomvandlingar inom en enda nanokristall av kopparsulfid, en halvledare som förväntas spela en viktig roll i framtida energiteknik.

Med TEAM 0.5, ett av världens mest kraftfulla transmissionselektronmikroskop, en forskargrupp som leds av Berkeley Lab -chefen Paul Alivisatos, observerade strukturella fluktuationer i en kopparsulfid-nanokristall när den övergick mellan låg- och högkalcocit-fastfasfaserna. Dessa fluktuationer är mycket relevanta för att förstå sådana fenomen som hur jon

transport sker inom elektroderna under laddning och urladdning av batterier, eller hur strukturerna för ett fast material kan förändras vid gränssnittet mellan en elektrod och en elektrolyt.

"TEAM 0,5, med sin avancerade elektronoptik och inspelningssystem, möjliggör snabb provtagning med enkelatomkänslighet över det periodiska systemet och större insamlingseffektivitet. Detta ger extraordinära möjligheter att studera strukturell transformationsdynamik in situ med atomupplösning, "Säger Alivisatos.

"I den här studien, " han lägger till, "vi observerade dynamiken i strukturell omvandling i en nanorod av kopparsulfid från en låg- till en högkalcocitstruktur med en aldrig tidigare skådad detalj, och fann att denna dynamik påverkades starkt av defekter i nanorodkristallen. Våra resultat tyder på strategier för att undertrycka eller stödja sådana transformationer som bör hjälpa till i framtida design av material med nya och kontrollerade faser. "

Det populära begreppet fasövergångar är ett material, som svar på temperaturförändringar, genomgår en omvandling från ett fast ämne till en vätska eller gas, d.v.s. is till vatten till ånga. Men några fasta material, särskilt på nanoskala, när de utsätts för temperaturförändringar kan övergå mellan ytterligare två olika faser i sin kristallstruktur. Kopparsulfid, till exempel, kan transformeras från en komplex sexkantig struktur som kallas lågkalcitfasen, till en mer enkel sexkantig struktur känd som högkalcocitfasen. Eftersom sådana "första ordningens strukturella transformationer" kan förändra egenskaperna hos en nanokristall, de är av stort intresse för ett brett spektrum av vetenskapliga områden och har viktiga konsekvenser för många tekniker.

"I nanoskala system, den energiska barriären mot en strukturell transformationsvåg med kristallstorlek, "säger Alivisatos." När storleken på en nanokristall är i en regim där termisk energi är jämförbar med energibarriären för fasomvandling, fluktuationer mellan två stabila strukturer inträffar vid övergångspunkten, och är relevanta för många molekylära och fasta fenomen nära jämvikt. "

Alivisatos, Larry och Diane Bock professor i nanoteknik vid University of California (UC) Berkeley, är en motsvarande författare till ett papper i tidningen Vetenskap med titeln "Observation of Transient Structural-Transformation Dynamics in a Cu2S Nanorod."

Medförfattare till denna uppsats var Haimei Zheng, Jessy Rivest, Timothy Miller, Bryce Sadtler, Aaron Lindenberg, Michael Toney, Lin-Wang Wang och Christian Kisielowski.

"Under fasövergångarna av kopparsulfid mellan lågkalcit och högkalcocit struktur, svaveljonerna förblir i en stel gitterram medan kopparjonerna rör sig inom svaveljongitteret, "säger Haimei Zheng, ledare och motsvarande författare till Science paper.

"Vi observerade var fasen kärnar vid ytan av nanoroden och i kärnan och hur fasomvandlingen förökar sig, "Säger Zheng." Vi observerade också effekterna av defekter. Till exempel, vi observerade att ett stapelfel skapar en barriär för rörelsen av kopparjoner och därigenom blockerar fasutbredningen. Sådana observationer ger oss viktiga nya insikter om atomvägarna för första ordningens strukturella transformationer. "

Enligt fasövergångsteori, en fast kristall kommer att fluktuera mellan två jämviktsstrukturer nära fasen
övergångspunkt innan du når en stabil konfiguration, och att denna övergångsregion breddas i små kristaller. För att testa denna teori, Zheng, Alivisatos och deras medförfattare zappade kopparsulfid-nanoroder med en elektronstråle från TEAM 0.5-mikroskopet och såg sedan efter och såg de förutsagda fluktuationerna.

"Innan TEAM -mikroskop, sådana detaljer om fluktuationerna mellan två halvledsfaser i en nanokristall kunde inte ha observerats, "säger Zheng." Våra resultat bör vara av intresse för teoretiker som försöker simulera strukturomvandlingar i fasta ämnen, eftersom varken en studie om bulkmaterial eller ensemblen av nanomaterial har förmågan att avslöja sådana specifika egenskaper hos fasövergångsvägarna. "

TEAM står för Transmission Electron Aberration-corrected Microscope. TEAM 0.5 och dess systerinstrument TEAM 1.0 kan producera bilder med en halv ångströmupplösning - mindre än diametern på en enda väteatom. Båda mikroskopen är inrymda på Berkley Lab i DOE:s National Center for Electron Microscopy (NCEM).

Nästa steg för henne, Zheng säger, kommer att ta upp frågor om transport av joner med batterimaterialbyten vid elektrod/elektrolytgränssnittet, och strukturella förändringar av nanopartikelkatalysatorer.

"Sådana studier har samma syfte att utveckla mikroskopisk förståelse för materialets strukturella transformationer, särskilt de som är viktiga för energitillämpningar, "Säger Zheng." In situ överföringselektronmikroskopi, särskilt våra senaste tekniska framsteg inom dynamisk avbildning genom vätskor eller gaser, liksom vid tillämpad elektrisk förspänning, ger ett kraftfullt verktyg för sådana studier. "