(PhysOrg.com) - Forskare vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory har upptäckt en universell teknik för att ta bort nanokristaller från tjuderliknande molekyler som hittills har utgjort hinder för deras integration i enheter. Dessa fynd kan ge forskare ett rent blad för att utveckla nya nanokristallbaserade teknologier för energilagring, solceller, smarta fönster, solbränslen och lysdioder.

Nanokristaller framställs vanligtvis i en kemisk lösning med hjälp av trådiga molekyler som kallas ligander kemiskt bundna till deras yta. Dessa kolvätebaserade eller organometalliska molekyler hjälper till att stabilisera nanokristallen, men bildar också ett oönskat isolerande skal runt strukturen. Effektivt och rent avlägsnande av dessa ytligander är utmanande och har gäckat forskare i årtionden.

Nu, med hjälp av Meerweins salt – en organisk förening som också är känd för sin tungvridande benämning triethyloxoniumtetrafluoroborate – har ett team från Berkeley Lab tagit bort organiska ligander bundna till nanokristaller, exponerar en bar yta vilket gör att nanokristaller kan användas i en mängd olika applikationer.

"Vår teknik låter dig i princip ta vilken nanokristall som helst - metalloxider, metallisk, halvledare – och förvandla dessa till dispersioner av ligandfria nanokristallbläck för spinn- eller spraybeläggning och till och med mönstring med en bläckstråleskrivare, säger Brett Helms, en anställd forskare vid anläggningen för organiska och makromolekylära synteser vid Berkeley Labs Molecular Foundry, ett forskningscenter för nanovetenskap. "Vad mer, de behåller sin strukturella integritet och uppvisar effektivare transportegenskaper i enheter."

Många nanokristaller som är viktiga för energienheter tål inte starka syror eller oxidationsmedel som vanligtvis används för att strippa organiska ligander - dessa nanokristaller löses helt enkelt upp. I den här studien, Helms och medarbetare undersökte atomistiska detaljer om interaktionen mellan en blyselenid-nanokristall - ett halvledarmaterial - och ligander som omger dess yta. Teamet använde sedan kemiska reagens baserade på Meerweins salt för att reagera med nanokristaller kemiskt för att göra dessa koordinerande ligander oförmögna att återbinda till ytan, skapa "nakna" nanokristaller i lösning eller som en tunn film på ett stöd. Denna teknik, Helms säger, visade sig vara ytterst allmänt.

"Vårt team har utvecklat en allmän metod för att ta bort ligander på en nanokristall för att få "bara" nanokristallytor, säger Evelyn Rosen, en postdoktor som arbetar med Helms. "Dessa kala nanokristaller kan ha unika egenskaper själva, men även möjliggöra tillägg av nya ligander till denna nakna yta som önskat för vissa typer av nanokristaller. Det viktigaste, denna teknik bör utöka användbarheten av nanokristaller genom att ge mer kontroll över optimeringen av deras egenskaper."

För att visa att nanokristallerna verkligen avskaffades sina ligander, teamet karakteriserade tunna filmer av ligandbelagda och nakna blyselenid-nanokristaller med en ny teknik som kallas infraröd spektroskopi i nanoskala, eller nano-IR. I denna teknik, infrarött ljus som absorberas av filmerna används för att analysera excitationer från specifika molekylära vibrationer, såsom de kol-vätebindningar som bildas av ligander. Använder nano-IR, forskarna fann att nanokristaller var jämnt blotta över makroskopiska avstånd, vilket leder till en ökning av elektronisk ledningsförmåga med flera storleksordningar jämfört med unstrippade nanokristallfilmer.

"Denna metod är tillämpbar på ett verkligt universellt sätt och gör det möjligt att använda nanokristaller i ett brett spektrum av applikationer och i olika miljöer, säger Delia Milliron, Direktör för anläggningen för oorganiska nanostrukturer vid gjuteriet och en medförfattare till denna studie.

Verkligen, Milliron tillägger, flera Foundry-användare utnyttjar redan dessa nanokristaller för projekt om energilagring och superkondensatormaterial, som lagrar energi som batterier men kan laddas snabbare.

"Att ha en robust men enkel procedur för att bearbeta "aktiverade" nanokristaller från lösning över stora ytor, står i proportion till kraven i en tillverkningsprocess, är ett viktigt första steg för att integrera dessa spännande nya material i nästa generations energirelaterade enheter, ” tillägger Helms. "Vi utnyttjar denna process i stor utsträckning i vår forskning och uppmuntrar potentiella samarbetspartners att skicka in användarförslag till Molecular Foundry, ”

Rosen är huvudförfattare och Helms motsvarande författare till en artikel som rapporterar denna forskning i tidskriften Angewandte Chemie International Edition . Uppsatsen har titeln "Exceptionellt mild reaktiv borttagning av inhemska ligander från nanokristallytor med Meerweins salt." Helms och Milliron var Raffaella Buonsanti, Anna Llordes och April Sawvel.