I tillväxten av kristaller, fungerar nanopartiklar som "konstgjorda atomer" som bildar byggstenar av molekylär typ som kan samlas i komplexa strukturer? Detta är påståendet i en stor men kontroversiell teori för att förklara nanokristall tillväxt. En studie av forskare vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) kan lösa kontroversen och peka på vägen till framtidens energienheter.

Leds av Haimei Zheng, en personalvetare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, forskarna använde en kombination av överföringselektronmikroskopi och avancerade flytande cellhanteringstekniker för att utföra realtidsobservationer av tillväxten av nanoroder från nanopartiklar av platina och järn. Deras observationer stöder teorin om nanopartiklar som fungerar som konstgjorda atomer under kristalltillväxt.

"Vi observerade att när nanopartiklar fastnar bildar de initialt lindande polykristallina kedjor, "Säger Zheng." Dessa kedjor justeras så småningom och fäster från ände till ände för att bilda nanotrådar som räcker ut och sträcker sig till enkristallnanoroder med förhållanden mellan längd och tjocklek upp till 40:1. Denna nanokristall tillväxtprocess, varigenom såväl nanopartikelkedjor som nanopartiklar fungerar som de grundläggande byggstenarna för nanoroder, är både smart och effektivt. "

Zheng är motsvarande författare till ett papper som beskriver denna forskning i tidskriften Vetenskap . Tidningen har titeln "Real-time Imaging of Pt3Fe Nanorod Growth in Solution." Medförfattare är Hong-Gang Liao, Likun Cui och Stephen Whitelam.

Om nanoteknologins nära gränslösa potential ens ska närmar sig, forskare kommer att behöva en mycket bättre förståelse för hur partiklar i nanostorlek kan samlas i hierarkiska strukturer av ständigt ökande organisation och komplexitet. Sådan förståelse kommer från att spåra nanopartikeltillväxtbanor och bestämma krafterna som styr dessa banor.

Genom användning av transmissionselektronmikroskopi och flytande observationsceller, forskare vid Berkeley Lab och på andra håll har gjort betydande framsteg när det gäller att observera nanopartikeltillväxtbanor, inklusive orienterad fastsättning av nanopartiklar - det kemiska fenomen som startar tillväxten av nanokristaller i lösning. Dock, dessa observationer har vanligtvis begränsats till de första minuterna av kristalltillväxt. I deras studie, Zheng och hennes kollegor kunde förlänga observationstiden från minuter till timmar.

"Nyckeln till att studera tillväxten av kolloidala nanokristaller med olika former och arkitekturer är att behålla vätskan i visningsfönstret tillräckligt länge för att tillåta fullständiga reaktioner, "Zheng säger." Vi löste upp molekylära prekursorer av platina och järn i ett organiskt lösningsmedel och använde kapillartryck för att dra tillväxtlösningen till en vätskeformig kiselnitridcell som vi förseglade med epoxi. Tätningen av cellen var särskilt viktig eftersom den hjälpte till att vätskan inte blev viskös med tiden. Tidigare, vi skulle ofta se vätskorna bli viskösa och detta skulle förhindra nanopartikelinteraktioner som driver kristalltillväxt från att äga rum. "

Zheng och hennes kollegor valde att studera tillväxten av platinjärnanoroder på grund av det elektrokatalytiska materialets lovande potential för användning i nästa generations energiomvandlings- och lagringsenheter. De kunde observera att dessa nanopartiklar samlades i nanorodkristaller med kraftfulla transmissionselektronmikroskop vid Berkeley Labs nationella centrum för elektronmikroskopi, inklusive TEAM 0.5 (Transmission Electron Aberration-corrected Microscope), som kan producera bilder med en halv ångströmupplösning - mindre än diametern på en enda väteatom.

"Från det vi observerade finns endast enstaka nanopartiklar i början av kristalltillväxten, men, när tillväxten fortskrider, små kedjor av nanopartiklar blir dominerande tills, i sista hand, bara långa kedjor av nanopartiklar kan ses, "Säger Zheng." Våra observationer ger en länk mellan världen av enstaka molekyler och hierarkiska nanostrukturer, banar väg för en rationell design av nanomaterial med kontrollerade egenskaper. "