Strukturen som antas av blysulfidnanopartiklar förändras förvånansvärt ofta när de sätts samman för att bilda ordnade supergitter. Det visar en experimentell studie som har genomförts på DESY:s röntgenkälla PETRA III. Ett team ledd av DESY-forskarna Irina Lokteva och Felix Lehmkühler, från gruppen Coherent X-ray Scattering som leds av Gerhard Grübel, har observerat självorganiseringen av dessa halvledarnanopartiklar i realtid. Resultaten har publicerats i tidskriften Materialkemi . Studien hjälper till att bättre förstå självmontering av nanopartiklar, vilket kan leda till väsentligt olika strukturer.

Bland annat, blysulfidnanopartiklar används i fotovoltaiska celler, lysdioder och andra elektroniska apparater. I studien, teamet undersökte hur partiklarna självorganiseras för att bilda en högordnad film. De gjorde det genom att placera en droppe vätska (25 miljondelar av en liter) som innehöll nanopartiklarna inuti en liten cell och lät lösningsmedlet avdunsta långsamt under loppet av två timmar. Forskarna använde sedan en röntgenstråle vid P10-strållinjen för att i realtid observera vilken struktur partiklarna bildade under monteringen.

Till deras förvåning, strukturen som antagits av partiklarna förändrades flera gånger under processen. "Först ser vi nanopartiklarna som bildar en hexagonal symmetri, vilket leder till en fast nanopartikel som har en hexagonal gitterstruktur, ", rapporterar Lokteva. "Men så förändras supergallret plötsligt, och visar en kubisk symmetri. När det fortsätter att torka, strukturen gör ytterligare två övergångar, blir ett supergitter med tetragonal symmetri och slutligen ett med en annan kubisk symmetri." Denna sekvens har aldrig tidigare avslöjats så detaljerat.

Teamet föreslår att den hexagonala strukturen (hexagonal tätpackad, HCP) kvarstår så länge som ytan av partiklarna svälls av lösningsmedlet. När filmen torkar lite, dess inre struktur ändras till en kubisk symmetri (kroppscentrerad kubisk, BCC). Dock, rester av lösningsmedlet finns fortfarande kvar mellan de individuella nanopartiklarna inuti filmen. När detta avdunstar, strukturen ändras ytterligare två gånger (kroppscentrerad tetragonal BCT och ansiktscentrerad kubisk FCC).

Filmens slutliga struktur beror på ett antal olika faktorer, som Lokteva förklarar. De inkluderar typen av lösningsmedel och hur snabbt det avdunstar, storlek och koncentration av nanopartiklar, men också naturen hos de så kallade liganderna som omger partiklarna och deras densitet. Forskare använder termen ligand för att beskriva vissa molekyler som binder till nanopartikelytan och förhindrar dem från agglomerering. I studien, laget använde oljesyra för detta ändamål; dess molekyler täcker partiklarna, ungefär som vaxet som hindrar gummibjörnar från att fastna i varandra i en påse. Detta är en väletablerad process inom nanoteknik.

"Vår forskning indikerar att den slutliga strukturen av supergittret också beror på om de individuella nanopartiklarna är omgivna av många eller få oljesyramolekyler, " rapporterar Lokteva. "I en tidigare studie, vi erhöll filmer med en BCC/BCT-kristallstruktur när liganddensiteten var hög. Här, vi tittade specifikt på nanopartiklar med låg liganddensitet, och detta ledde till en FCC-struktur. Så när du använder nanopartiklar, liganddensiteten bör bestämmas, vilket inte är standard för tillfället, " förklarar DESY-forskaren.

Dessa observationer är också viktiga när det gäller andra material, påpekar laget. "Blysulfid är ett intressant modellsystem som hjälper oss att bättre förstå de allmänna mekanismerna genom vilka nanopartiklar självmonterar, Lokteva förklarar. "Naturen kan förse nanostrukturer med olika intressanta egenskaper via fenomenet självmontering, och vi har nu verktygen att se över naturens axel när den konstruerar dessa strukturer."