(Phys.org) – Tre kemiprofessorer vid University of Chicago hoppas att deras separata forskningsbanor kommer att konvergera för att skapa ett nytt sätt att sätta ihop vad de kallar "designer atoms" till material med ett brett utbud av potentiellt användbara egenskaper och funktioner.

Dessa "designeratomer" skulle vara nanokristaller - kristallina arrayer av atomer avsedda att manipuleras på sätt som går utöver standardanvändning av atomer i det periodiska systemet. Sådana matriser skulle vara lämpade för att hantera utmaningar inom solenergi, kvantberäkningar och funktionella material.

Partnerna i projektet är prof. David Mazziotti, och docenterna Greg Engel och Dmitri Talapin. Alla tre har gjort viktiga framsteg som är avgörande för att driva projektet framåt. Nu, med $1 miljon i finansiering från W. M. Keck Foundation, de kan bygga på sina separata framsteg på ett samordnat sätt mot ett nytt mål.

"Om du tittar på vetenskapens historia, en stor utveckling börjar med att människor med olika bakgrund pratar med varandra och lär sig av varandra och gör något riktigt revolutionerande snarare än inkrementellt, " sa Talapin.

Utvecklingen i Talapins laboratorium utgör kärnan i projektet. En syntetisk oorganisk kemist, han är specialiserad på att skapa exakt konstruerade nanokristaller med väldefinierade egenskaper.

Nanokristaller består av hundratals eller tusentals atomer. Detta är tillräckligt litet för att nya kvantfenomen ska börja dyka upp, men tillräckligt stor för att tillhandahålla bekväma "moduler" för design av nya material. "Det är en intressant kombination genom att man bygger material inte från enskilda atomer, men från enheter som liknar atomer på många sätt men som också beter sig som en metall, halvledare eller magnet. Det är lite galet, " sa Talapin.

Potentialen för de nya arrangemangen kan överstiga de befintliga delarnas potential. Kemister kan inte ställa in egenskaperna hos väte eller helium, till exempel, men de kan ställa in egenskaperna hos nanokristaller.

"Du bygger kemi från atomer, och kvantmekaniken ger principer för att göra det, sa Mazciotti, hänvisar till fysikens lagar som dominerar världen i ultraliten skala. "På samma sätt, vi föreställer oss enorma möjligheter när det gäller att ta nanokristallina arrayer och nanokristaller som byggstenar för nya strukturer där vi sätter ihop dem till starkt korrelerade system."

Nanokristallina byggstenar

Kärnan i stark korrelation, av kemiska bindningar, i kemi i allmänhet, är kopplingarna mellan partiklar och hur egenskaperna hos dessa partiklar förändras när de binder till varandra, Engel noterade. "Det handlar om nya egenskaper som kommer från stark blandning mellan partiklars elektroniska tillstånd, på samma sätt som två atomer går samman för att bilda en molekyl, " han sa.

Vätgas och syrgas har väldigt olika egenskaper. Men när två väteatomer delar elektroner med en syreatom, de bildar vatten. UChicago-trions ambition är att utvidga detta ramverk från nivån för enskilda atomer till nivån för små, funktionella föremål, såsom metall eller magnetiska halvledare.

Nyckeln till deras projekt är att kontrollera graden av korrelation mellan elektroner på olika nanokristaller. År 2009, Talapin och hans medarbetare utvecklade ett sätt att kontrollera elektronernas rörelser när de rör sig från en nanokristall till nästa. Deras "elektroniska lim" gör det möjligt för halvledarnanokristaller att effektivt överföra sina elektriska laddningar till varandra, ett viktigt steg i syntesen av nya material.

"Det limet tillhandahålls av en speciell inställning av elektronernas beteende, "Mazziotti sa. "Du vill att elektronerna ska ha sina rörelser korrelerade på ett speciellt sätt för att möjliggöra effektiv överföring av den energin från en nanokristall till den andra."

Att uppnå större kontroll av korrelerade elektroner - de vars rörelser är kopplade till varandra - på olika nanokristaller är nyckeln till framgång i Keck-projektet.

"Om vi ​​kan förbättra det, då kan vi i princip utveckla en hel palett av nya material som i huvudsak härrör från att använda nanokristallerna som byggstenar och stark korrelation som ett sätt att trimma, väsentligen, i vilken grad eller hur de pratar med varandra, ", sa Mazziotti. "Vi vill ha en riktigt effektiv överföring av energi och information mellan de olika enheterna. Tidigare inom området nanokristallina arrayer, nanokristallerna kommunicerade bara mycket svagt med varandra."

Utveckla en ny palett

Mazziotti och Engel kommer med teoretiska och spektroskopiska framsteg, respektive, till samarbetet. Mazziottis framsteg ger ett alternativ till traditionella metoder för att beräkna starkt korrelerade elektroner i molekyler, som skalas exponentiellt med antalet elektroner. Han har löst ett långvarigt problem som möjliggör beräkningar med bara två av en molekyls elektroner, vilket dramatiskt minskar beräkningskostnaden.

Hans studier av eldflugas bioluminescens och andra fenomen har visat att när molekylära system växer sig större, starka korrelationer mellan elektroner blir kraftfullare och öppnar nya möjligheter för framväxande beteende. I samband med ett halvledande material som kisel, emergent beteende är hur individuella nanopartiklar effektivt förlorar sin identitet, ger upphov till kollektiva egenskaper i nya material.

"När storleken på ett molekylärt system ökar, vi ser uppkomsten av nytt fysikbeteende och vikten av stark korrelation av elektroner, "Mazziotti sa. "Vikten av stark korrelation ökar dramatiskt med systemstorleken."

Framstegen i Engels forskargrupp var utvecklingen av en teknik som kallas GRadient-Assisted Photon Echo (GRAPE) spektroskopi, som lånar idéer från magnetisk resonanstomografi men används för spektroskopi snarare än medicinsk avbildning. Engel har redan använt GRAPE för att observera den korrelerade rörelsen och kopplingen mellan kromoforer, som är ljusabsorberande molekyler. Nu ska han tillämpa tekniken på nanokristaller.

"Detta, för första gången, kommer att låta oss verkligen se den direkta naturen hos den elektroniska kopplingen som är kärnan i denna idé om nya bindningskoncept i designeratomer, ", sa Engel. "Vi kommer att kunna tillhandahålla experimentella bevis som kommer att kombinera teorin som David håller på att utveckla med de nya strukturerna som Dmitri bygger."