Kristallisering är en av de mest grundläggande processerna som finns i naturen - och det är det som ger mineraler, Ädelsten, metaller, och även proteiner deras struktur.

Under de senaste decennierna, forskare har försökt att avslöja hur naturliga kristaller självmonterar och växer – och deras banbrytande arbete har lett till några spännande nya teknologier – från kvantprickarna bakom färgglada QLED TV-skärmar, till peptoider, en proteinhärmare som har inspirerat dussintals biotekniska genombrott.

Nu, ett forskarlag ledd av forskare vid Department of Energys Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och UC Berkeley har utvecklat en nanopartikelkomposit som växer till 3D-kristaller. Forskarna säger att det nya materialet - som de kallar en 3D PGNP (polymerympad nanopartikel) kristall i deras nyligen publicerade Naturkommunikation studie—kan leda till ny teknik som är 3D-odlad snarare än 3D-printad.

"Vi har visat en ny spak att vrida, så att säga, att odla ett kristallint material till ett kompositmaterial eller strukturerat material för tillämpningar som sträcker sig från nanoskala fotonik för smarta byggnader till ställdon för robotik, sa Ting Xu, senior författare till studien. Xu är seniorforskare på fakulteten vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och professor i kemi och materialvetenskap och teknik vid UC Berkeley.

Xu sa att deras nya metod är kompatibel med kraven från masstillverkning. "Många smarta hjärnor har designat eleganta kemier, såsom DNA och supramolekyler, för att kristallisera nanopartiklar. Vårt system är i huvudsak en blandning av nanopartiklar och polymerer – som liknar ingredienserna som människor använder för att tillverka flygplansvingar eller stötfångare till bilar. Men vad som är ännu mer intressant är att vi inte förväntade oss att vår metod skulle vara så enkel och så snabb, " sa Xu.

En slumpmässig upptäckt

Huvudförfattare Yiwen Qian, en Ph.D. studentforskare i Xu-gruppen vid UC Berkeley, upptäckte 3D PGNP nanokristallerna av en slump i ett vanligt labbexperiment.

Ett par dagar innan, hon hade lämnat en lösning av toluenlösningsmedel och guldnanopartiklar ympade med polystyren (Au-PS) i ett centrifugrör på en labbdisk. När hon tittade på provet under ett transmissionselektronmikroskop (TEM), hon märkte något konstigt. "Nanopartiklar hade kristalliserat snabbt. Det var inte en normal sak att förvänta sig, " Hon sa.

Att undersöka, Xu samarbetade med Peter Ercius, en stabsforskare vid Berkeley Labs Molecular Foundry, och Wolfgang Theis och Alessandra DaSilva vid University of Birmingham, som alla är allmänt ansedda för sin expertis inom STEM (scanning transmission electron microscopy) tomografi, en elektronmikroskopiteknik som använder en starkt fokuserad elektronstråle för att rekonstruera bilder av ett material 3D-struktur med hög upplösning.

Med hjälp av mikroskop på Molecular Foundry, en världsledande användaranläggning inom STEM-tomografi, forskarna fångade först kristallina 3D-mönster av Au-PS nanopartiklar.

På jakt efter fler ledtrådar, Xu och Qian distribuerade sedan kärnmagnetisk resonansspektroskopi vid UC Berkeley, där de upptäckte att ett litet spår av polyolefinmolekyler från centrifugrörets foder på något sätt hade kommit in i blandningen. polyolefiner, som inkluderar polyeten och polypropen, är några av de mest förekommande plasterna i världen.

Qian upprepade experimentet, lägga till mer polyolefin till Au-PS-lösningen – och den här gången, de fick större 3D PGNP-kristaller inom några minuter.

Xu blev förvånad. "Jag trodde, "Det här borde inte gå så snabbt, '" mindes hon. "Kristaller av nanopartiklar tar vanligtvis dagar att växa i labbet."

En välsignelse för industrin:odla material på nanonivå

Efterföljande experiment visade att när toluenlösningsmedlet snabbt avdunstar vid rumstemperatur, polyolefintillsatsen hjälper Au-PS nanopartiklar att formas till 3D PGNP-kristaller, och att "växa till sin favoritkristallstruktur, sa Qian.

I ett annat nyckelexperiment, forskarna designade en självmonterande 100-200 nanometer kristallin skiva som ser ut som basen på en pyramid. Från denna fantastiska demonstration av behärskning av materia på nanonivå, forskarna lärde sig att storleken och formen på 3D PGNP-kristallerna drivs av polyolefinernas kinetiska energi när de fälls ut i lösningen.

Sammanlagt, dessa fynd "ger en modell för att visa hur du kan kontrollera kristallstrukturen på en partikelnivå, " Xu sa, och tillägger att deras upptäckt är spännande eftersom det ger ny insikt om hur kristaller bildas under de tidiga stadierna av kärnbildning.

"Och det är utmanande att göra eftersom det är svårt att få atomer att sitta bredvid varandra, sa Ercius.

Det nya tillvägagångssättet skulle kunna ge forskare oöverträffad kontroll i att finjustera elektroniska och optiska enheter på nanonivå (miljarddelar av en meter), sa Xu. Sådan precision i nanopartikelskala, tillade hon, skulle kunna påskynda produktionen och eliminera fel i tillverkningen.

Blickar framåt, Qian skulle vilja använda sin nya teknik för att undersöka segheten hos olika kristallstrukturer – och kanske till och med göra en hexagonal kristall.

Xu planerar att använda sin teknik för att odla större enheter som en transistor eller kanske 3D-print nanopartiklar från en blandning av material.

"Vad kan man göra med olika morfologier? Vi har visat att det är möjligt att generera en enkomponentskomposit från ett mineral och en polymer. Det är verkligen spännande. Ibland behöver man bara vara på rätt plats vid rätt tidpunkt, " sa Xu.

Medförfattare på uppsatsen inkluderar Alessandra da Silva och Wolfgang Theis vid University of Birmingham i Storbritannien; Emmy Yu, en studentforskare i Xu-gruppen vid UC Berkeley; och Christopher L. Anderson och Yi Liu vid Berkeley Labs Molecular Foundry.