Du kan bära en hel dator i fickan idag eftersom de tekniska byggstenarna har blivit mindre och mindre sedan 1950-talet. Men för att skapa framtida generationer av elektronik – som kraftfullare telefoner, effektivare solceller eller till och med kvantdatorer – kommer forskare att behöva komma med helt ny teknik i minsta skala.

Ett område av intresse är nanokristaller. Dessa små kristaller kan sätta ihop sig i många konfigurationer, men forskare har haft problem med att ta reda på hur man får dem att prata med varandra.

En ny studie introducerar ett genombrott i att få nanokristaller att fungera tillsammans elektroniskt. Publicerad 25 mars i Science,  forskningen kan öppna dörrarna för framtida enheter med nya förmågor.

"Vi kallar dessa superatomära byggstenar, eftersom de kan ge nya förmågor - till exempel att låta kameror se i det infraröda området", säger professor Dmitri Talapin vid University of Chicago, motsvarande författare till tidningen. "Men fram till nu har det varit väldigt svårt att både montera dem till strukturer och  be dem prata med varandra. Nu för första gången behöver vi inte välja. Det här är en transformerande förbättring."  

I sin uppsats lägger forskarna ut designregler som bör möjliggöra skapandet av många olika typer av material, säger Josh Portner, en Ph.D. student i kemi och en av de första författarna till studien.

Ett litet problem

Forskare kan odla nanokristaller av många olika material:metaller, halvledare och magneter kommer var och en att ge olika egenskaper. Men problemet var att när de försökte sätta ihop dessa nanokristaller till arrayer, så skulle de nya superkristallerna växa med långa "hår" runt dem.

Dessa hårstrån gjorde det svårt för elektroner att hoppa från en nanokristall till en annan. Elektroner är budbärarna för elektronisk kommunikation; deras förmåga att lätt röra sig är en viktig del av alla elektroniska enheter.

Forskarna behövde en metod för att minska hårstråna runt varje nanokristall, så att de kunde packa in dem tätare och minska mellanrummen. "När dessa klyftor är mindre med bara en faktor tre, är sannolikheten för elektroner att hoppa över ungefär en miljard gånger högre", säger Talapin, Ernest DeWitt Burton Distinguished Service Professor i kemi och molekylär teknik vid UChicago och en senior vetenskapsman vid UChicago. Argonne National Laboratory. "Det förändras väldigt kraftigt med avståndet."

För att raka bort hårstråna försökte de förstå vad som pågick på atomnivå. För detta behövde de hjälp av kraftfulla röntgenstrålar vid Center for Nanoscale Materials i Argonne och Stanford Synchrotron Radiation Lightsource vid SLAC National Accelerator Laboratory, såväl som kraftfulla simuleringar och modeller av kemi och fysik i spel. Alla dessa gjorde det möjligt för dem att förstå vad som hände på ytan – och hitta nyckeln till att utnyttja sin produktion.

En del av processen för att odla superkristaller sker i lösning - det vill säga i vätska. Det visar sig att när kristallerna växer genomgår de en ovanlig omvandling där gas, flytande och fast fas alla samexisterar. Genom att exakt kontrollera kemin på det stadiet kunde de skapa kristaller med hårdare, smalare yttre som kunde packas ihop mycket närmare. "Att förstå deras fasbeteende var ett stort steg framåt för oss", sa Portner.

Hela utbudet av tillämpningar är fortfarande oklart, men forskarna kan tänka på flera områden där tekniken kan leda. "Till exempel, kanske varje kristall kan vara en qubit i en kvantdator; att koppla qubits till arrayer är en av de grundläggande utmaningarna för kvantteknologi just nu", sa Talapin.

Portner är också intresserad av att utforska det ovanliga mellantillståndet hos materia som ses under superkristalltillväxt:"Trippelfas samexistens som denna är sällsynt nog att det är spännande att tänka på hur man kan dra fördel av denna kemi och bygga nya material."

Studien inkluderade forskare från University of Chicago, Technische Universität Dresden, Northwestern University, Arizona State University, SLAC, Lawrence Berkeley National Laboratory och University of California, Berkeley. + Utforska vidare

Nanokristallänkar kan leda till bättre elektronik, säger forskare