Forskare från Brown University har sammanställt komplexa makroskaliga överbyggnader från pyramidformade nanopartikelbyggstenar. Forskningen, beskrivs i tidningen Natur , visar ett lovande nytt sätt att föra nanopartiklarnas användbara egenskaper till makroskala material och enheter.

"Det har forskats mycket om att göra överbyggnader från sfäriska nanopartiklar, men mycket mindre med hjälp av tetraedriska byggstenar, "sa Ou Chen, en biträdande professor i kemi vid Brown och seniorförfattare till studien. "Tetrahedra öppnar möjligheten att göra mycket mer komplexa strukturer, och 3D-överbyggnaden som vi visar här är en av de mest komplexa som någonsin monterats av enstaka nanopartikelkomponenter. "

Chens forskargrupp utvecklade byggstenarna som användes i studien för ett år sedan. Partiklarna är kvantprickar - nanoskala halvledare som kan absorbera och avge ljus. Deras tetraedriska (pyramidliknande) form har viktiga fördelar jämfört med sfärer, Chen säger, när man använder dem för att bygga större strukturer. Tetrahedra kan packas ihop med mindre tomrum än sfärer, göra strukturer potentiellt mer robusta. Dessutom, partiklarna som används i studien är anisotropa, vilket betyder att de har olika egenskaper beroende på deras orientering i förhållande till varandra. Sfärer, å andra sidan, är desamma i alla riktningar.

När det gäller de tetraedriska kvantprickarna, anisotropi genererades genom behandling av ett plant ansikte, eller fasett, av varje pyramid med en annan ligand (ett kemiskt bindemedel) än de andra aspekterna.

"Ligander hjälper till att styra den rörande processen som uppstår när två partiklar kommer samman fasett till fasett, "sa Yasutaka Nagaoka, en postdoktor i Chens grupp och den största bidragsgivaren till projektet. "I detta fall, fasetter med liknande ligander lockar, som ger en viss kontroll över hur partiklarna ordnar sig. "

Det är i kontrast till isotropa sfärer, som ordnar sig slumpmässigt.

"Anisotropi ökar komplexiteten hos de överbyggnader vi kan göra jämfört med att använda isotropa sfärer, "Sa Chen." Det ger oss också en viss kraft att kontrollera atominriktningen av partiklarna i superkristallerna, vilket kan ge upphov till intressanta fastigheter. Till exempel, du kan förutsäga att inriktning kommer att ge upphov till bättre elektroniska egenskaper eftersom elektroner hoppar lättare genom överbyggnadens gitter. "

För deras studier, Chen och hans kollegor löste upp sina tetraedriska kvantprickar i lösning, tillät sedan partiklarna att samlas i tre olika typer av överbyggnader:endimensionella strängar, tvådimensionella kristallgaller och tredimensionella superkristaller.

3D-superkristallerna var särskilt intressanta, Chen säger, på grund av deras komplexitet och det intressanta sätt på vilket de bildades. De enskilda nanopartiklarna bildade först bollliknande kluster med 36 partiklar vardera. Dessa kluster bildade sedan de större överbyggnaderna. När forskarna karakteriserade strukturen i detalj med röntgenspridning, de fann att atomstrukturen i gitteret verkligen var i linje, som de hade hoppats.

Nu när de har visat en metod för att forma strukturerna, nästa steg är att förhöra deras egenskaper.

"Byggstenarna för kvantpunkter är intressanta i sig, "Chen sa." De har intressant foton dynamik, som kan översättas till intressanta optiska egenskaper i överbyggnaderna.

"Vi måste förstå hur man monterar dessa större och mer komplexa strukturer, "sa han." Jag tror att dessa kommer att vara en bro som kommer att föra nanoskala dynamik in i makroskalan och möjliggöra nya typer av metamaterial och enheter. "