En ritning för att designa nya material med hjälp av svåra kombinationer av nanokristaller har utvecklats av ett team av forskare vid University of Pennsylvania och University of Michigan.

Arbetet kan leda till förbättringar av nanokristaller som redan används i displayer, medicinsk bildbehandling och diagnostik, och möjliggöra nya material med tidigare omöjliga egenskaper.

Forskare kan tillverka material med nya och intressanta egenskaper genom att sammanföra nanokristaller av olika sammansättning, storlekar och former. Utmaningen är att göra det på ett organiserat sätt. Nu, Penn- och U-M-teamet har utvecklat en strategi som utforskar de tillgängliga nanopartiklarna och tar reda på hur de ska fästas ihop.

"Det är ett av de problem där "gilla gillar som, ", sa nyligen doktorand Katherine Elbert, som ledde denna studie medan han arbetade i Chris Murrays labb, en Penn Integrates Knowledge (PIK) professor i materialvetenskap och teknik.

Denna tendens gör att de olika typerna av nanokristaller ofta separerar sig själva, bildar oordnade blobbar snarare än integrerade, beställda fasta ämnen.

"Här, vi försöker övervinna den barriären och tillverka material där nanokristallerna är exakt kopplade till sina grannar för att hybridisera deras egenskaper, " sa Elbert.

Datormodellering av gruppen Sharon Glotzer, John W. Cahn Distinguished University Professor of Engineering vid U-M, visade ett sätt att kringgå denna barriär genom att belägga nanopartiklarna med molekyler som ändrar dess form vad gäller närliggande nanopartiklar.

"Vi kan utnyttja dessa subtila förändringar för att driva sammansättning i motsats till segregation, sade Thi Vo, U-M forskare i kemiteknik.

En av de största utmaningarna inom forskningsområdet är det stora antalet och typerna av nanokristaller – med massiva bibliotek av nanokristaller med olika kemiska formler, storlekar och former.

"Att placera varje "tegelsten" exakt på rätt plats skulle vara oöverstigligt, Murray sa. "Men om du kan hitta reglerna för att naturen vill sätta ihop nanokristaller, och du vet hur man optimerar förhållandena och den exakta designen av block, du har nu den där ritningen för att göra olika klasser av material."

Glotzers grupp kammade igenom biblioteket av partiklar som Murrays grupp kunde göra, modellera interaktioner mellan par av nanokristaller för att se hur de kan sättas ihop till olika önskade strukturer. Beräkningsstudien rekommenderade storlekar, former, materialtyper och kemiska miljöer för uppföljande experiment i labbet.

Forskarna fokuserade på två klasser av nanokristaller med mycket olika sammansättning, storlekar och strukturer i denna studie - den ena med intressanta optiska egenskaper och den andra med användbara elektriska egenskaper. Vanligtvis, de gillar inte att blanda. Men om de gjorde det, vi skulle potentiellt kunna kombinera dem för att göra solceller som kan omvandla infrarött ljus till elektricitet mer effektivt, bland andra möjligheter.

När teamet exakt kontrollerade ytstorlekarna och formerna på nanokristallerna med dessa beläggningsmolekyler, så att de rätta kombinationerna av kristaller skulle attrahera varandra, they were able to create integrated structures. These results can be applied to other types of materials with only minor adjustments.

"By building nanoscale components and organizing them under a universal set of conditions, we can get materials properties that don't coexist or are exceedingly difficult to bring together. Nu, we have a strategy to get the nanocrystals to couple and overlap, " Murray said.

The paper in Vetenskapens framsteg is titled "Anisotropic nanocrystal shape and ligand design for co-assembly."