Forskare vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory såg halvledarkristaller i nanoskala expandera och krympa som svar på kraftfulla pulser av laserljus. Denna ultrasnabba "andning" ger ny insikt om hur sådana små strukturer ändrar form när de börjar smälta – information som kan hjälpa forskare att skräddarsy deras användning för en rad olika tillämpningar.

I experimentet med SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser, en användaranläggning för DOE Office of Science, forskare exponerade först nanokristallerna för en skur av laserljus, tätt följt av en ultraljus röntgenpuls som registrerade de resulterande strukturella förändringarna i detalj i atomskala vid början av smältningen.

"Det här är första gången vi kan mäta detaljerna om hur dessa ultrasmå material reagerar när de ansträngs till sina gränser, sa Aaron Lindenberg, en biträdande professor vid SLAC och Stanford som ledde experimentet. Resultaten publicerades den 12 mars Naturkommunikation .

Lär känna Quantum Dots

Kristallerna som studerats vid SLAC är kända som "kvantprickar" eftersom de visar unika egenskaper på nanoskala som trotsar den klassiska fysiken som styr deras egenskaper i större skala. Kristallerna kan ställas in genom att ändra deras storlek och form för att avge specifika ljusfärger, till exempel.

Så forskare har arbetat med att införliva dem i solpaneler för att göra dem mer effektiva och i datorskärmar för att förbättra upplösningen samtidigt som de förbrukar mindre batterikraft. Dessa material har också studerats för potentiell användning i batterier och bränsleceller och för riktad läkemedelstillförsel.

Forskare har också upptäckt att dessa och andra nanomaterial, som kan innehålla bara tiotals eller hundratals atomer, kan vara mycket mer skadebeständiga än större bitar av samma material eftersom de uppvisar en mer perfekt kristallstruktur i de minsta skalorna. Den här egenskapen kan visa sig användbar i batterikomponenter, till exempel, eftersom mindre partiklar kan klara fler laddningscykler än större innan de bryts ned.

En överraskning i "andningen" av små sfärer och nanotrådar

I LCLS-experimentet, forskare studerade sfärer och nanotrådar gjorda av kadmiumsulfid och kadmiumselenid som bara var 3 till 5 nanometer, eller miljarddels meter, tvärs över. Nanotrådarna var upp till 25 nanometer långa. Som jämförelse, aminosyror – byggstenarna i proteiner – är cirka 1 nanometer långa, och enskilda atomer mäts i tiondelar av nanometer.

Genom att undersöka nanokristallerna från många olika vinklar med röntgenpulser, forskare rekonstruerade hur de ändrar form när de träffas med en optisk laserpuls. De blev förvånade över att se sfärerna och nanotrådarna expandera i bredd med cirka 1 procent och sedan snabbt dra ihop sig inom femtosekunder, eller kvadrilliondelar av en sekund. De fann också att nanotrådarna inte expanderar i längd, och visade att hur kristallerna reagerar på spänningar var kopplat till hur deras struktur smälter.

I ett tidigare, separat studie, ett annat team av forskare hade använt LCLS för att utforska svaret från större guldpartiklar på längre tidsskalor.

"I framtiden, vi vill utöka dessa experiment till mer komplexa och tekniskt relevanta nanostrukturer, och även för att möjliggöra röntgenutforskning av enheter i nanoskala medan de är i drift, Lindenberg sa. "Att veta hur material förändras under påfrestning kan användas tillsammans med simuleringar för att designa nya material med nya egenskaper."