(Phys.org) – Alldeles för liten för att se, nanokristaller – små kristaller som är minst 1, 000 gånger mindre än diametern på ett människohår – uppvisar oöverträffade egenskaper som fascinerar forskare och ingenjörer. För att tillämpa dessa material i framväxande nanoteknik, forskare behöver bättre förstå deras struktur, deras motsvarande funktioner och hur de packas ihop.
Ett samarbete mellan Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) och materialforskare har gett större förståelse för hur speciella nanokristaller ser ut individuellt och hur de passar ihop när de bildar större strukturer som kallas superkristaller. Sådan kunskap kan leda till effektiv bottom-up-konstruktion av nya material för applikationer som sträcker sig från solceller till elektroniska komponenter. Verket publicerades av Journal of the American Chemical Society .
Samarbetet använde innovativa röntgenkristallografimetoder vid B1 CHESS-strållinjen ledd av CHESS-personalforskaren Zhongwu Wang. Det innebar samtidig insamling av data om ordning och orientering av blysulfidnanokristaller och superkristaller med användning av både vidvinkel (WAXS) och liten vinkel (SAXS) röntgenspridning, som vanligtvis görs en i taget.
Vidvinkelröntgenspridning används för karakterisering i relativt mindre skala, avslöjar information om hur atomplan inom enskilda nanokristaller är orienterade. Småvinkelspridning går ett steg längre genom att ge data om hur nanokristaller, cirka 100 atomer i diameter, är arrangerade i förhållande till varandra, när de går samman som en superkristall.
Wang och hans medarbetare arbetade med Tobias Hanrath, docent i kemi- och biomolekylär teknik, som studerar blysulfid och andra nanokristaller för fotovoltaiska material, att förbereda proverna och genomföra experimenten.
Den nya kombinerade metoden vid CHESS gav insikter i den oväntade komplexiteten i arrangemanget av nanokristaller i superkristallen. Upptäckten kan ge information om nya metoder för att odla superkristaller och hur man kan optimera deras egenskaper.
"Du kan tänka på en individuell nanopartikel som en designeratom, Hanrath sa. "Vi vill ta reda på hur du kan ta partiklarna och sätta ihop dem i olika konfigurationer där partiklarna kan interagera på målmedvetna och programmerbara sätt. Och vi måste använda verktyg som på CHESS för att titta på de faktiska strukturerna, som är mycket mer komplexa än när du bara behandlar dem som små sfärer."
Wang sa att WAXS/SAXS röntgenteknikerna kommer att hjälpa dem och andra forskare att förstå hur nanokristaller förändras, och hur de interagerar med olika lösningsmedel och i olika miljöer. Han och andra medarbetare planerar att titta på allt mer komplexa nanokristallsammansättningar.
"Vi kommer att kombinera in-situ spektroskopiska tekniker med våra röntgentekniker för att bygga en serie struktur-egenskapsrelationer av instängda nanokristaller med olika storlekar, former och kompositioner, " sa Wang.
