För första gången har forskare och ingenjörer observerat i realtid hur två typer av nanopartiklar gjorda av olika material kombineras till nya kompositmaterial. Fynden, rapporterade av ett team ledd av University of Pennsylvania och University of Michigan, kan hjälpa ingenjörer att ha mer kontroll över sammansättningen av material som kombinerar de önskvärda egenskaperna hos varje partikel - såsom fotoluminescens, magnetism och förmågan att leda elektricitet.
"Vi designar nya material som kombinerar olika typer av funktioner på sätt som inte är möjliga med de material vi har idag", säger Sharon Glotzer, ordförande vid Anthony C. Lembke Department of Chemical Engineering vid University of Michigan och medförfattare. av studien publicerad i Nature Synthesis .
De sammansatta strukturerna är en typ av binärt nanokristall supergitter och kan användas för elektroniska enheter, optiska enheter och energiproduktion och lagring.
"Att kombinera fotoluminescerande och magnetiska nanopartiklar, till exempel, kan tillåta dig att ändra färgen på en laser med hjälp av ett magnetfält", säger Emanuele Marino, en av de första författare till tidningen och en före detta postdoktor vid University of Pennsylvania.
Ingenjörer skapar vanligtvis binära nanokristall-supergitter genom att blanda nanopartikelbyggstenar i en lösning och låta en droppe av lösningen torka ut. När droppen krymper kombineras partiklarna till de önskade överbyggnaderna. Ingenjörer träffade sedan kristallerna med röntgenstrålar för att se de resulterande nanokristallstrukturerna. Varje kristallstruktur sprider röntgenstrålar i ett unikt mönster, som fungerar som ett fingeravtryck för att identifiera kristallerna.
Att se hur dessa kristaller sätts ihop i realtid har varit en vetenskaplig utmaning eftersom de bildas för snabbt för de flesta röntgenspridningstekniker. Utan att se steg som leder fram till den slutliga strukturen får forskare gissa hur deras nanokristallblandningar leder till överbyggnader.
"Att ta reda på hur dessa material reagerar med varandra kommer att tillåta oss att bygga ett mer omfattande bibliotek av de strukturer de kan bilda när de kombineras", säger Christopher Murray, professor i kemi vid Richard Perry University vid University of Pennsylvania och medkorrespondent. författare till studien.
Teamet skapade de första röntgenspridningsmätningarna i realtid av supergittren genom att sakta ner monteringsprocessen och använda snabbare röntgenspridningstekniker med hjälp av National Synchrotron Light Source II vid Brookhaven National Laboratory i Upton, New York.
"Anläggningens höga röntgenflöde och snabba datainsamling skulle kunna hålla jämna steg med de hastigheter med vilka kristallerna bildades", säger Esther Tsai, en stabsforskare vid Brookhaven National Laboratory och medförfattare till studien.
För att sakta samman gallret blandade forskarna olika nanopartiklar i en oljeemulsion - nästan som en magnetisk salladsdressing - och placerade sedan emulsionen i vatten. Nanopartikelblandningen krympte när oljan diffunderade ut i vattnet, men mycket långsammare jämfört med den konventionella lufttorkningsmetoden.
Efter en initial, snabb tillväxtfas som varar i upp till fem minuter, samlas nanokristallerna genom att långsamt driva ut den sista av den återstående oljan under tre till fem timmar.
Att få ögonen på de begynnande kristallerna gjorde det möjligt för University of Michigan-teamet att härleda fysiken och förklara hur gittren bildades och modellera processen med datorsimuleringar.
"Med tidsmässig information från experiment kan vi konstruera en prediktiv modell som inte bara återger den slutliga strukturen, utan strukturens hela monteringsväg", säger Sharon Glotzer, ordförande vid Anthony C Lembke Department of Chemical Engineering vid University of Michigan och med- motsvarande författare till studien.
Teamet upptäckte att binär nanokristall-supergittermontering sker genom attraktioner på kort räckvidd mellan nanopartikelns byggstenar, oavsett vilken typ av nanopartikel som används, och "bekräftade vidare att inga mellanfaser bildades före den slutliga kristallen, och ytan på emulsionsdropparna gjorde det. inte spela någon roll i att forma kristallen", säger Allen LaCour, en före detta doktorand i kemiteknik vid University of Michigan och medförfattare till studien.
Utan andra förklarande faktorer drog simuleringarna slutsatsen att styrkan hos nanokristallinteraktionerna är den primära faktorn som bestämmer supergitterstrukturen i de krympande dropparna. Interaktionsstyrkan kan ändras med partiklarnas storlek och elektriska laddning, eller lägga till vissa element till partiklarna. U-M-teamets datormodeller kan simulera effekterna av dessa förändringar.
Mer information: Emanuele Marino et al, Kristallisering av binära nanokristall-supergitter och relevansen av attraktion på kort avstånd, Natursyntes (2023). DOI:10.1038/s44160-023-00407-2
Journalinformation: Natursyntes
Tillhandahålls av University of Michigan
