Начинает раскрываться секрет давно скрытого фокуса самосборки нанокристаллических структур.
Превращение простых коллоидных частиц - кусочков вещества, взвешенных в растворе, - в плотно упакованные, красивые кружевоподобные сетки или сверхрешетки десятилетиями озадачивало исследователей. Красивые картинки сами по себе, эти крошечные сверхрешетки, также называемые квантовыми точками, используются для создания более ярких экранов дисплеев, а также массивов оптических сенсорных устройств. Конечный потенциал квантовых точек по превращению любой поверхности в умный экран или источник энергии частично зависит от понимания того, как они формируются.
Благодаря сочетанию методов, включая контролируемое испарение растворителя и синхротронное рентгеновское рассеяние, самосборка нанокристаллических структур в реальном времени стала наблюдаться на месте. Результаты были опубликованы в журнале Nature Materials в статье доцента Уильяма А. Тисдейла и аспиранта Марка К. Вайдмана с факультета химического машиностроения Массачусетского технологического института и Детлеф-М. Smilgies на источнике синхротрона высокой энергии Корнелла (CHESS).
Исследователи ожидают, что их новые результаты будут иметь значение для прямого манипулирования получившимися сверхрешетками, с возможностью изготовления по требованию и потенциалом для создания принципов формирования связанных мягких материалов, таких как белки и полимеры.
Дискотека с квантовыми точками
Тисдейл и его коллеги входят в число многих групп, изучающих твердые полупроводниковые нанокристаллы с поверхностями, покрытыми органическими молекулами. Эти электронные материалы, пригодные для обработки в растворах, сейчас находятся на полках магазинов под разными названиями и используются во всем, от световых дисплеев до телевизоров. Их также рассматривают для создания эффективных солнечных элементов и других устройств преобразования энергии из-за простоты их изготовления и низкой стоимости производственных процессов.
Более широкое внедрение этих нанокристаллов в другие технологии преобразования энергии было ограничено, отчасти, недостатком знаний о том, как они самособираются, переходя от коллоидных частиц (таких как крошечные пенопластовые шарики, взвешенные в жидкости) к сверхрешетки (представьте, что те же самые шарики теперь сухие, упакованные и выровненные).
Методы, включая электронную микроскопию и динамическое светорассеяние, раскрыли некоторые аспекты начального коллоидного состояния и конечной структуры сверхрешетки, но они не прояснили переход между этими двумя состояниями. Фактически, такая основополагающая работа восходит к середине 1990-х годов с группой Мунги Бавенди в Массачусетском технологическом институте.
«За последние 10-15 лет был достигнут значительный прогресс в создании очень красивых нанокристаллических структур», - говорит Тисдейл. «Тем не менее, до сих пор ведется много споров о том, почему они собираются в каждую конфигурацию. Это лигандная энтропия или огранка нанокристаллов? Глубокая информация, полученная путем наблюдения за всем процессом самоорганизации, разворачивающимся в режиме реального времени, может помочь ответить на эти вопросы.."
Тайная комната
Чтобы снять наноразмерный фильм выше, аспирант Тисдейла и соавтор Марк Вайдман воспользовались преимуществами разработанной Корнеллом экспериментальной камеры и недавно разработанной установки с двумя детекторами с двумя быстрыми детекторами, в то время как условия окружающей среды были изменены во время образование сверхрешеток. Используя нанокристаллы сульфида свинца, Вейдман смог провести одновременные наблюдения малоуглового рентгеновского рассеяния (захватив структуру сверхрешетки) и широкоугольного рентгеновского рассеяния (зафиксировав ориентацию в атомном масштабе и выравнивание отдельных частиц) во время испарения растворитель.
«Мы считаем, что это был первый эксперимент, который позволил нам наблюдать в реальном времени и в естественной среде, как происходит самосборка», - говорит Тисдейл. «Эти эксперименты были бы невозможны без экспериментальных возможностей, разработанных Детлефом и командой CHESS».
Использование нанокристаллов с тяжелым элементом (свинцом) и яркость источника синхротронного рентгеновского излучения позволили достаточно быстро собрать данные, чтобы можно было наблюдать самосборку в режиме реального времени, в результате чего были получены убедительные изображения и видеоролики процесс.
Мелкая сетка
Открытие может привести к созданию усовершенствованных моделей для самостоятельной сборки широкого спектра органических мягких материалов. Более того, возможность наблюдать за развитием структуры в режиме реального времени также обещает возможность вмешательства или направления системы в желаемые конфигурации, предвещая будущее практическое руководство по созданию сверхрешеток.
Тисдейл говорит, что необходимо проделать гораздо больше работы, чтобы понять, почему нанокристаллы самособираются так, как они это делают. Он и его команда планируют использовать свою новую технику для манипулирования такими параметрами, как условия растворения, а также размер и форма нанокристаллов, а также для более тщательного изучения лигандов на поверхности, поскольку они, по-видимому, являются ключевым фактором самосборки.
«Мы надеемся, что это исследование и метод помогут расширить наше понимание коллоидной самосборки и, в долгосрочной перспективе, позволят нам направить наномасштабную самосборку к желаемой структуре», - добавляет Вайдман.
Работа была поддержана в рамках Центра экситоники, исследовательского центра Energy Frontier, финансируемого Управлением фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США. Корнеллский синхротронный источник высокой энергии (CHESS) поддерживается Национальным научным фондом и Национальным институтом здравоохранения/Национальным институтом общих медицинских наук.