(Phys.org)—Serendipity visade sig vara en nyckelingrediens för de senaste nanopartiklarna som upptäcktes vid Rice University. De nya "lava dot"-partiklarna upptäcktes av misstag när forskare snubblade över ett sätt att använda smälta droppar av metallsalt för att göra ihåliga, belagda versioner av en nanoteknologisk stapelvara som kallas kvantprickar.

Resultaten visas online denna vecka i tidskriften Nanoteknik . Forskarna fann också att lavaprickar ordnar sig i jämnt fördelade mönster på plana ytor, delvis tack vare en mjuk yttre beläggning som kan ändra sin form när partiklarna är tätt packade.

"Vi undersöker potentialen för att använda dessa partiklar som katalysatorer för väteproduktion, som kemiska sensorer och som komponenter i solceller, men huvudpoängen i detta dokument är hur vi gör dessa material, " sa medförfattaren Michael Wong, professor i kemi- och biomolekylär teknik vid Rice. "Vi kom på den här tekniken för syntes av smälta droppar och fann att vi kan använda samma process för att göra ihåliga partiklar i nanostorlek av flera typer av element. Resultatet är att denna upptäckt handlar om en hel familj av partiklar snarare än en specifik komposition."

Som deras quantum dot kusiner, Rices lavaprickar kan vara gjorda av halvledare som kadmiumselenid och zinksulfid.

Wongs labb har arbetat stadigt för att förbättra syntesen av kvantprickar i mer än fem år. Under 2007, Wongs team upptäckte ett renare och billigare sätt att syntetisera fyrbenta kvantprickar - partiklar som är mindre än en levande cell som ser ut som små versioner av barndomkrafter. Dessa "nanojack, "som också kallas kvantfetrapoder, kan användas för att skörda solljus i en revolutionerande ny sorts solpanel.

Nyckelsteget i 2007 års upptäckt var användningen av ett ytaktivt ämne som heter CTAB. År 2010 försökte Rice-studenten Sravani Gullapalli förfina syntesen av "nanojack" ytterligare när hon upptäckte lavaprickar.

"Denna nya kemi för att göra tetrapoderna var ganska billig, men vi letade efter ett ännu billigare sätt, " sa Wong. "Sravani sa, "Låt oss bli av med denna dyra fosfortensid och bara se vad som händer." Så hon gjorde, och dessa små saker dök upp på elektronmikroskopskärmen."

Wong mindes lagets första överraskning. "Vi sa, 'Vad händer här? Hur går man från fyrbenta nanojackor till dessa små bollar?'"

Han sa att det tog teamet mer än ett år att dechiffrera den ovanliga formningsmekanismen som gav hålet, mjuka partiklar.

För att göra partiklarna, Gullapalli tillsatte tre typer av fast pulver - kadmiumnitrat, selen och en liten mängd CTAB – till ett oljelösningsmedel. Hon värmde sedan långsamt upp blandningen under omrörning. Kadmiumnitratet smälte först och bildade små nanodroppar som inte kan ses med blotta ögat.

"Inget händer förrän temperaturen fortsätter att stiga och selenet smälter, " sa Gullapalli. "Det smälta selenet lindas sedan runt kadmiumnitratdroppen, och kadmiumnitratet diffunderar ut och lämnar ett hål där droppen en gång var."

Hon sa att kadmiumselenidskalet som omger hålet är nanokristallint och är omslutet av ett mjukt yttre skal av rent selen.

När Gullapalli undersökte lavaprickarna med ett transmissionselektronmikroskop, hon tyckte att de var större än vanliga kvantprickar, ca 15-20 nanometer i diameter. Hålen var cirka 4-5 nanometer i diameter. Hon lade också märke till något märkligt:​​När de satt för sig själva dök de upp runt, och när det är tätt packat, skalet såg ut att bli hoptryckt, även om närliggande prickar aldrig kom i faktisk kontakt med varandra.

"Det är en av vändningarna till den här konstiga kemin, ", sade Wong. "Lösningsmedlet bildar sitt eget ytaktiva ämne under denna process. Det ytaktiva medlet täcker partiklarna och hindrar dem från att vidröra varandra, även när de är tätt packade."

Wongs team fann senare att det kunde använda metoden med smälta droppar för att göra lavaprickar av zinksulfid, kadmiumsulfid och zinkselenid.

"Vi fann att de ihåliga partiklarna mötte och till och med överskred vissa prestandamått för kvantprickar i en solcellstestenhet, och vi fortsätter att undersöka hur dessa kan vara användbara, sa Gullapalli.