(Phys.org) – Forskare har länge trott att biologiska molekyler och syntetiska nanokristaller endast var lika i storlek. Nu, University of Illinois i Urbana-Champaign kemister har funnit att de kan lägga till reaktivitet till listan över delade egenskaper. Atomer i en nanokristall kan samarbeta med varandra för att underlätta bindning eller byte, ett fenomen som finns allmänt i biologiska molekyler.

Fyndet kan katalysera tillverkning av nanokristaller för smarta sensorer, solceller, små transistorer för optiska datorer, och medicinsk bildbehandling. Leds av kemiprofessor Prashant Jain, teamet publicerade sina resultat i tidskriften Naturkommunikation .

"I geologiska industri- och hemmiljöer, kornen i nanoskala av något material genomgår kemiska övergångar när de sätts under reaktiva förhållanden, "Sade Jain. "Järn som rostar med tiden och diamant som bildas från kol är exempel på två vanliga övergångar. Att förstå hur dessa övergångar sker på skalan av de minsta kornen i materialet är en viktig motivation för vårt arbete."

Forskare kan utnyttja sådana övergångar för att göra nanokristaller som överensstämmer med en viss struktur. De kan göra en nanokristall av ett material och omvandla det till ett annat material, använder i huvudsak den ursprungliga nanokristallramen som en mall för att skapa en nanokristall av det nya materialet med samma storlek och form. Detta låter forskare skapa nanokristaller av nya material i former och strukturer som de kanske inte skulle kunna annars.

I den nya studien, forskarna förvandlade små kristaller av materialet kadmiumselenid till kristaller av kopparselenid. Kopparselenid nanokristaller har ett antal intressanta egenskaper som kan användas för solenergiskörd, optisk beräkning och laserkirurgi. Transformation från kadmiumselenid skapar nanokristaller med en renhet som är svår att uppnå med andra metoder.

Forskarna, inklusive doktorand Sarah White, använde avancerade mikroskopi- och spektroskopitekniker för att bestämma dynamiken hos atomerna i kristallerna under transformationen och fann att transformationen inte sker som en långsam diffusionsprocess, men som ett snabbt byte tack vare samverkan.

Forskarna såg att när kadmium-selenid nanokristallen har tagit upp några initiala koppar "frö" föroreningar, atomer i resten av gittret kan samarbeta för att snabbt byta ut resten av kadmiumet mot koppar. Jain jämför kristallerna med hemoglobin, molekylen i röda blodkroppar som transporterar syre. När en syremolekyl har bundit till hemoglobin, andra bindningsställen inom hemoglobin ändrar något konformation för att lättare ta upp mer syre. Han hävdar att på samma sätt, kopparföroreningar kan orsaka en strukturell förändring i nanokristallen, vilket gör det lättare för fler kopparjoner att infiltrera nanokristallen i en snabb kaskad.

Forskarna reproducerade experimentet med silver, förutom koppar, och såg liknande, om än lite mindre snabb, kooperativt beteende.

Nu, Jains team använder sin avancerade bildbehandling för att se övergångar ske i enstaka nanokristaller, i realtid.

"Vi har ett sofistikerat optiskt mikroskop i vårt labb, som nu har tillåtit oss att fånga en enda nanokristall i färd med att göra en övergång, ", sa Jain. "Detta tillåter oss att lära oss dolda detaljer om hur övergången faktiskt fortskrider. Vi lär oss också hur en nanokristall beter sig annorlunda än en annan."

Nästa, forskarna planerar att utforska biomolekylliknande samverkansfenomen i andra fasta material och processer. Till exempel, samverkan i katalytiska processer kan få stora konsekvenser för solenergi eller tillverkning av dyra specialkemikalier.

"I längden, vi är intresserade av att utnyttja samarbetsbeteendet för att designa artificiella smarta material som svarar på ett switchliknande sätt som hemoglobin i vår kropp gör, " sa Jain.