(Phys.org) — Att odla tunna filmer av nanopartiklar i ordnade, kristallina ark, att göra allt från mikroelektroniska komponenter till solceller, skulle vara en välsignelse för materialforskare, men fysiken är knepig eftersom partiklar av den storleken inte bildar kristaller som enskilda atomer gör.

Använder större partiklar som modeller, fysiker har förutspått några ovanliga egenskaper hos nanopartikelkristalltillväxt – i synnerhet, att vissa partiklar, på grund av deras storlekar och attraktiva krafter mellan dem, växa kristaller som smälter när de kyls.

En studie ledd av John Savage, tidigare postdoktor i Itai Cohens labb, docent i fysik, visade att kolloidala kristaller, som bildas av partiklar suspenderade i vätska, kan uppvisa detta udda fenomen med kall smälta. Studien publicerades online den 20 maj Förfaranden från National Academy of Sciences .

Vanligtvis odlar människor kristaller av olika material, som den vanliga halvledaren galliumarsenid, som skiktade ark av starkt bundna atomer. Kolloidala kristaller är olika; de bildas när kolloidala partiklar suspenderade i en vätska självmonteras till arrayer.

För att få mikronstora kolloider att bilda kristaller, forskarna introducerade nanometerstora partiklar i vätskan, som konkurrerar med de större kolloiderna om utrymme och slutar med att de trycker ihop kolloiderna, men bara när avståndet mellan dem är mindre än nanopartiklarna. Eftersom denna attraktion beror på den termiska energin från nanopartikelrörelserna, bindningarna mellan de kolloidala partiklarna är också relativt svaga.

Dessa kortvariga, svaga attraktioner mellan partiklar, i motsats till starka atombindningar, uppvisa några överraskande beteenden. Till exempel, Cohen sa, i lösning kan partiklarna bara känna varandra när de är mindre än en nanopartikel från varandra. Men om de kolloidala partiklarna vilar på ett substrat av partiklar, som anger avståndet mellan dem, då kan interaktionens räckvidd öka dramatiskt.

De fann att substratpartiklarna håller kolloiderna löst bundna tillräckligt länge för att de kan knuffa och interagera med sina grannar i planet, men bara någon gång då och då. Effektivt, det ser ut som att partiklarna bildar bindningar med sina grannar i planet, även om de bara gör det ibland.

"Detta tillåter grannar i planet att bilda löst bundna kristaller vars avstånd mellan partiklarna är mycket större än vad du förväntade dig var möjligt, med tanke på interaktionens korta karaktär, " sa Cohen.

När de sänkte temperaturen så att bindningarna mellan partiklar var starkare än deras värmeenergi, partiklarna knuffade mindre. Följaktligen, de satt djupare i brunnen som bildas av substratpartiklarna och interagerade mer sällan med sina grannar i planet.

Resultatet, Cohen sa, är att kolloiderna inte längre kunde bilda bindningar i planet som kan hålla ihop kristallen, så att partiklar kan diffundera bort och kristallen löser sig eller smälter. "Det är den här konstiga effekten, " sa Cohen, "där kristallen smälter vid kylning."

Dessa resultat kan hjälpa materialforskare att skräddarsy tillväxten av kristaller som består av nanopartiklar – där liknande effekter uppstår – för nya tillämpningar inom elektronik eller energimaterial.

Studien, "Entropidriven kristallbildning på mycket ansträngda substrat, " fick stöd av King Abdullah University of Science and Technology och National Science Foundation.