I decennier har en läroboksprocess känd som "Ostwald-mognad", uppkallad efter den nobelprisbelönte kemisten Wilhelm Ostwald, väglett utformningen av nya material inklusive nanopartiklar - små material så små att de är osynliga för blotta ögat.

Enligt denna teori löses små partiklar upp och återavsätts på ytan av stora partiklar, och de stora partiklarna fortsätter att växa tills alla små partiklar har lösts upp.

Men nu avslöjar nya videofilmer som tagits av Berkeley Lab-forskare att tillväxten av nanopartiklar inte styrs av skillnader i storlek, utan av defekter.

Forskarna rapporterade nyligen sina fynd i tidskriften Nature Communications .

"Detta är en enorm milstolpe. Vi skriver om lärobokskemi, och det är väldigt spännande", säger seniorförfattaren Haimei Zheng, senior vetenskapsman vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och adjungerad professor i materialvetenskap och ingenjörsteknik vid UC Berkeley.

För studien suspenderade forskarna en lösning av kadmiumsulfid (CdS) nanopartiklar med kadmiumklorid (CdCl₂ ) och väteklorid (HCl) i en anpassad vätskeprovhållare. Forskarna exponerade lösningen med en elektronstråle för att producera Cd-CdCl₂ core-shell nanopartiklar (CSNP) – som ser ut som platta, hexagonala skivor – där kadmiumatomer bildar kärnan och kadmiumklorid bildar skalet.

Med hjälp av en teknik som kallas högupplöst flytande celltransmissionselektronmikroskopi (LC-TEM) vid Molecular Foundry, fångade forskarna LC-TEM-videor i realtid i atomär skala av Cd-CdCl₂ CSNP mognar i lösning.

I ett nyckelexperiment visar en LC-TEM-video en liten Cd-CdCl₂ kärna-skal nanopartikel smälter samman med en stor Cd-CdCl₂ CSNP för att bilda en större Cd-CdCl₂ CSNP. Tillväxtriktningen styrdes dock inte av en skillnad i storlek utan av en sprickdefekt i skalet på den initialt större CSNP. "Fyndet var mycket oväntat, men vi är mycket nöjda med resultaten", säger Qiubo Zhang, första författare och postdoktor vid Materials Sciences Division.

Forskarna säger att deras arbete är den högsta upplösningen LC-TEM-video som någonsin spelats in. Framstegen – övervakning av hur nanopartiklar mognar i lösning i realtid – möjliggjordes av en skräddarsydd, ultratunn "vätskecell" som säkrar en liten mängd vätska mellan två kolfilmsmembran på ett koppargaller. Forskarna observerade vätskeprovet genom ThemIS, ett specialiserat elektronmikroskop vid Molecular Foundry som kan registrera atomiska förändringar i vätskor med en hastighet av 40-400 bilder per sekund. Mikroskopets högvakuummiljö håller vätskeprovet intakt.

"Vår studie fyller i luckan för nanomaterialtransformationer som inte kan förutsägas av traditionell teori." Zheng sa, som var pionjär för LC-TEM vid Berkeley Lab 2009 och är en ledande expert på området. "Jag hoppas att vårt arbete inspirerar andra att tänka på nya regler för att designa funktionella nanomaterial för nya tillämpningar." + Utforska vidare

Att leva på kanten:Hur ett 2D-material fick sin form