Forskare vid Iowa State University har utvecklat en ny formulering som hjälper till att förklara självsammansättningen av atomer till nanokluster och för att främja den vetenskapliga förståelsen av relaterad nanoteknik. Deras forskning erbjuder en teoretisk ram för att förklara förhållandet mellan fördelningen av "fångstzoner, "regionerna som omger de nanoskaliga "öarna" som bildas av avsättning på ytor, och den underliggande kärnbildnings- eller bildningsprocessen.

Nanoteknik involverar vetenskap och ingenjörskonst i storleken av en nanometer, eller en miljarddels meter. Det har varit centralt för utvecklingen av innovationer som tunnfilmssolpaneler, förbättrade batterier och billigare sensorer.

Självsammansättningen av atomer till nanokluster är ett ämne av stort intresse för nanoteknologer eftersom det erbjuder potentialen att skapa nanostrukturerade system med förbättrad magnetisk, katalytiska och plasmoniska egenskaper som har många industriella tillämpningar.

"Om du har förmågan att kontrollera dessa självmonteringsprocesser för att styra morfologin och det rumsliga arrangemanget av dessa nanostrukturer, då kan du förbättra de egenskaper du är intresserad av, " sa James W. Evans, professor i fysik vid Iowa State University.

Evans och hans team, som finansierades av National Science Foundation, beskriva deras tillvägagångssätt denna vecka i Journal of Chemical Physics .

Medan det fysiska vetenskapssamfundet tidigare hade övervägt storleksfördelningen av kärnförsedda öar under självmontering av deponerade atomer, senare diskussion har kretsat kring fördelningen av öarnas fångstzoner. Evans och hans medarbetare fokuserade på att skapa en teoretisk grund för att förstå hur små fångstzoner utvecklas. Deras utveckling har viktiga konsekvenser för att bestämma storleken som en kärnförsedd ö måste nå för att bli stabil. Deras analys kombinerar hastighetsekvationer med element av stokastisk geometri.

En av flera betydelsefulla insikter som framkom från deras forskning var vikten av den rumsliga platsen för kärnbildningshändelser i förhållande till befintliga fångstzoner och öar i bildandet av nya, mindre fångstzoner.

"Om du kärnar ut mitt i en triplett av öar som är mycket närmare varandra än vad som är typiskt, fångstzonen för den nya ön som skapas är mycket mindre än den genomsnittliga storleken, ", sa Evans. För att betona detta förhållande om hur storleken på fångstzoner och deras resulterande fördelning kan påverkas av kärnbildning, deras arbete visar sambandet mellan hur storleken på fångstzoner och deras resulterande fördelning kan påverkas av kärnbildning.

Evans och hans team inkluderade en teoretisk studie om fångstzonsfördelningen (CZD) av kompakta öar inklusive en härledning av en ekvation för skalningsfunktionen för fångstzonsfördelningen. Förutom de teoretiska resultaten, författarna inkluderade simuleringsresultat med Kinetic Monte Carlo för att bekräfta förutsägelserna om öfördelningen och skalningsbeteende, uppnå i allmänhet god överensstämmelse mellan teoretiska och numeriska resultat. Evans och medarbetares formuleringar belyser vikten av subtila rumsliga detaljer i kärnbildningsprocessen, och specifikt av relaterade storheter såsom sannolikheten för inre överlappning och fraktionerad överlappningsfördelning. Dessa kvantiteter har fått begränsad uppmärksamhet tidigare, men deras detaljerade form är viktig eftersom den påverkar den för CZD.

En av utmaningarna med denna forskning är att den fokuserar på ett långt ifrån jämviktssystem, som trotsar många av de konventionella analysmetoderna som används av fysikaliska forskare.

"Det faktum att detta är ett långt ifrån-jämviktssystem betyder att det inte finns några teoretiska standardverktyg som du kan använda för att analysera processen, " förklarade Evans.

Fortfarande, med omfattande simuleringar som återspeglar deponeringsexperiment som vanligtvis utförs i ultrahöga vakuumkammare, Evans och hans team har lyckats utveckla ett ramverk för att förklara hur mindre fångstzoner genereras. Forskarna hoppas att deras arbete får andra forskare att också undersöka frågan om fördelningar av fångstzoner eftersom de samlade insikter som genereras kommer att främja det bredare forskarsamhällets förståelse av hur nanokluster samlas.