Material som bildas i försvinnande liten skala används inom medicin, elektronik, tillverkning och en mängd andra applikationer. Men forskare har bara skrapat på ytan för att förstå hur man kontrollerar byggstenar på nanoskala, där enkla maskiner i storleken av ett virus fungerar.

Nu, ett team av forskare under ledning av Dongsheng Li, en materialvetare vid PNNL, och medarbetare vid University of Michigan och Chinese Academy of Sciences, har låst upp hemligheten till en av de mest användbara nanostrukturerna:den femfaldiga tvillingen. Deras studie som beskriver varför och hur denna form bildas är detaljerad i tidskriften Vetenskap och presenterades på Materials Research Societys årsmöte den 5 december, 2019.

Ett tvärsnitt av en femfaldig tvillingstruktur ser för hela världen ut som en paj skivad i fem perfekt symmetriska bitar. Nanomaterial med denna struktur har redan visat sig ha användbara egenskaper och används i medicinsk forskning för att exakt tagga cancertumörer för avbildning och spårning, och inom elektronik, där de värderas för sin mekaniska styrka.

"Naturliga och syntetiska nanopartiklar som består av femfaldiga tvinnade kristalldomäner har unika egenskaper, "sa Li, som ledde forskargruppen. "Men bildningsmekanismen för dessa femfaldiga tvinnade nanopartiklar har förståtts dåligt. För första gången, vi observerade direkt femfaldig tvillingbildning i realtid och bestämde mekanismen genom vilken de bildas. "

Ända sedan forskare lärde sig hur man manipulerar molekyler på nanoskala, de har noterat att material tenderar att aggregera till vissa geometriska former:trådar, rör, sfärer, och alla kuber bildas med lite ingrepp. Men varför?

Forskargruppen använde en kombination av högupplöst transmissionselektronmikroskopi i kombination med molekylära dynamik-simuleringstekniker för att undersöka varför strukturerna bildas som de gör. I de flesta fallen, nanostrukturer bildas för snabbt för att fånga dem med hjälp av experimentell bildteknik. Här, teamet använde en smart strategi:de tvingade molekylerna att röra sig långsammare genom att innesluta dem i en melassliknande organisk matris, och de observerade mer än 200 bildandehändelser för att fånga alla viktiga steg i processen. De upptäckte två olika mekanismer för att bilda femfaldiga tvinnade nanostrukturer, som båda formas av ackumulering och eliminering av spänning mot en idealisk form som eliminerar all belastning.

"Mekanismen vi utarbetade är en gemensam väg för kristalltillväxt som förekommer i stor utsträckning i olika system som metaller, halvledare, organiska, och biominerala faser, "sa Li." Därför, vad vi lärde oss från vår observation kan generaliseras till ett brett spektrum av material."

Nu när forskarna har fångat de grundläggande krafterna som formar strukturen, de hoppas kunna styra fler sorters material till denna mycket användbara pajform.

"Vi hoppas kunna designa nanostrukturer med kontrollerad storlek och morfologi, och att skräddarsy sina fastigheter, " sa Li.