En forskargrupp från PNNL har upptäckt att atomkrafter som anses vara "svaga" faktiskt kan utöva mer kontroll än man har förstått. Och den nya upptäckten, publicerad 25 februari i tidskriften Naturkommunikation , skulle kunna hjälpa till att bättre förutsäga och så småningom kontrollera tillverkningen av halvledarmaterial som används i elektronik och andra industriella tillämpningar.

Materialforskarna Lili Liu och Elias Nakouzi ledde ett multidisciplinärt team som utforskade bildandet av zinkoxid, ett otroligt mångsidigt ämne som används i en mängd produkter, från blöjutslagskräm till halvledare. Medan den molekylära formeln (ZnO) förblir densamma, hur molekylerna anpassar sig bestämmer deras egenskaper.

"Traditionellt, kristalltillväxt har antagits ske genom tillsats av individuella atomer, ", sa Liu. "Men kristaller kan också växa på ett annat sätt. Enskilda nanopartiklar kan bli byggstenarna som fäster vid varandra för att bilda en större kristall. Detta kallas orienterad anknytning, och vi studerade hur det fungerar under tillväxt av zinkoxid."

Forskarna använde en kombination av extremt högupplöst transmissionselektronmikroskopi och matematiska simuleringar för att förklara sina resultat. Den unika synergin mellan dessa verktyg gjorde det möjligt för forskarna att närma sig problemet från flera vinklar.

"Partiklarna är som minimagneter, med ena änden positiv den andra negativ, bildar vad som kallas en dipol", sa Nakouzi. "Vi upptäckte att en svag, Långdistansdrivkraft som kallas en dipol-dipol-interaktion kan rikta in partiklarna över längre avstånd än man trodde var möjligt. Eftersom en dipol fungerar som en magnet, den interaktionen skapar ett vridmoment som justerar partiklarna. Sedan, när de kommer tillräckligt nära varandra, de snäpper på plats. Denna mekanism har inte visualiserats tidigare."

För att säkerställa deras förtroende för observationen, forskarna optimerade lösningsmedels- och saltkoncentrationerna, vilket hindrade nanopartikelkristallerna från att lösas upp och möjliggjorde observation av partikelfästning.

Forskningen ger svar på långvariga frågor om kristallisationsmekanismer, specifikt icke-klassisk kristallisation via orienterad fästning. Dess grundläggande karaktär innebär att det inte är omedelbart översättbart till produktutveckling eller tekniska tillämpningar, och fynden kommer att behöva bekräftas i andra typer av kristallstrukturer, sa Nakouzi. Men kristalliseringen sitter vid vägskälet för flera forskningsproblem, och forskargruppen förutser en bred betydelse av dessa resultat i materialsyntes och miljöledningstillämpningar.

"Tillvägagångssätt för att tillverka material baserade på sammansättning av nanopartiklar har en enorm potential för att uppnå nya eller förbättrade egenskaper för ett brett utbud av energitillämpningar från solenergi till batterier till katalysatorer, sa James DeYoreo, en Battelle Fellow vid PNNL och senior forskare i forskargruppen. "En förståelse för hur monteringsprocessen fungerar och hur den kan kontrolleras är avgörande för att förverkliga den potentialen. Resultaten av denna studie avslöjar en av nyckelkontrollerna för nanopartikelsammansättning för en viktig klass av halvledarmaterial och föreslår ett enkelt sätt att styra processen."