Ongekende real-time observatie van zelfassemblerende nanodeeltjes om kristallen te vormen (+ video)

Vorming van kristallen uit componenten op nanoschaal is een alomtegenwoordig fenomeen in de biologie, geologie en materiaalkunde. Maar dit proces wordt niet volledig begrepen, onder meer vanwege de experimentele moeilijkheden die inherent zijn aan het observeren ervan. Onlangs hebben onderzoekers voor het eerst het zelfassemblageproces van nanodeeltjes tot vaste stoffen waargenomen. De opmerkelijke verkregen video’s laten zien hoe de deeltjes op hun plaats vallen om de karakteristieke gestapelde lagen van het kristal te vormen.

Kristallen spelen een belangrijke rol bij de vorming van materialen, variërend van skeletten en schelpen tot halfgeleidermaterialen. Maar veel aspecten van hun opleiding zijn in mysterie gehuld. Het begrijpen van het zelfassemblageproces van nanodeeltjes tot vaste stoffen kan bijvoorbeeld helpen begrijpen waarom biomineralisatie, de productie van tanden, botten, enz. niet goed werken en zo ziekte veroorzaken. Aan de andere kant kan dit inzicht ook een krachtige aanjager zijn van innovaties op technologisch gebied.

U moet weten dat er drie verschillende stadia zijn in de kristalgroei: nucleatie, post-nucleatiegroei en groeistop. Veel studies hebben zich gericht op het begrijpen van het begin van nucleatie en het produceren van hoogwaardige kristallen door componenten met verschillende eigenschappen en verschillende groeiomstandigheden te bemonsteren.

De kinetiek van groeiprocessen na kiemvorming, een belangrijke bepalende factor voor kristalmorfologie en -eigenschappen, is echter onontgonnen gebleven vanwege experimentele uitdagingen in verband met real-time nanoimaging.

Een onderzoeksteam van de Northwestern University en de University of Illinois heeft onlangs de kristalgroei van nanodeeltjes van verschillende vormen in beeld gebracht. De video’s laten zien hoe ze van ladders op nanoschaal naar beneden rollen en glijden voordat ze uiteindelijk op hun plaats vallen om de karakteristieke gestapelde kristallagen te vormen. Deze nieuwe kennis kan worden gebruikt om nieuwe materialen, waaronder dunne films, te ontwerpen voor elektronische toepassingen. De hack is gepubliceerd in het tijdschrift Nanotechnologie van de natuur.

standpunt veranderen

Zoals eerder vermeld, hoewel kristallisatie een alomtegenwoordig fenomeen is, is het precies een mysterie gebleven hoe kristallen zich vormen. Een veel voorkomende weergave van kristallen is in de vorm van zout, suiker, ijs en edelstenen, zoals diamanten. De bouwstenen – de atomen, moleculen of ionen – waaruit deze zeer kristallijne materialen bestaan, zijn gerangschikt in roosters en op elkaar gestapeld om een ​​driedimensionale vaste stof te vormen.

Tot nu toe hebben onderzoekers kristallisatie bestudeerd door te kijken naar veel grotere deeltjes die colloïden worden genoemd. Maar waarnemingen van zelfordende colloïden in kristallen geven geen informatie over het gedrag van de atomen. Terwijl kristallen platte en uniforme oppervlakken hebben, hebben kristalstructuren gemaakt van colloïden van micronformaat, die 10 tot 100 keer groter zijn dan nanodeeltjes, de neiging om ruwe en niet-uniforme oppervlakken aan te nemen.

Eric Luitin van de Northwestern University, die het theoretische en computationele werk leidde om de waarnemingen te verklaren, zegt V communicatie :” Colloïden zijn veel groter dan atomen en het valt te betwijfelen of ze dezelfde stappen volgen tijdens kristallisatie. De analogie van colloïden met atomen klopt niet echt “.

In het verleden gebruikten ze ook röntgenkristallografie of elektronenmicroscopie om enkele lagen atomen in een kristalrooster zichtbaar te maken. Maar ze konden niet zien hoe de afzonderlijke atomen op hun plaats vielen.

Een proefrit om de gaten op te vullen

Om het kristallisatieproces beter te begrijpen, zijn Wijten en collega’s overgestapt op nanodeeltjes. Recente vorderingen bij het verbeteren van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) in vloeistoffase hebben het mogelijk gemaakt om nanodeeltjes in realtime te visualiseren terwijl ze vaste stoffen vormen. Het team van Qian Chen, een co-auteur van de studie, was verantwoordelijk voor het optimaliseren van het proces om ervoor te zorgen dat de elektronenstraal de deeltjes kon laten zien zonder ze te beschadigen.

Voor het eerst brachten de onderzoekers met behulp van geavanceerde computersimulaties een kristalvorming in beeld. Vervolgens voerden ze TEM-experimenten in de vloeistoffase uit om de zelfassemblage van nanodeeltjes in realtime te observeren. Ze gebruikten nanodeeltjes van verschillende vormen – kubussen, bollen en ontspannen kubussen – om te onderzoeken hoe vorm gedrag beïnvloedt.

video : Animatie die de groeimodi binnen en buiten het vlak laat zien van concave gouden nanokristallen in een transmissie-elektronenmicroscoopkamer in vloeibare fase. (© Erik Luijten en Qian Chen)

In experimenten zagen de onderzoekers dat de deeltjes met elkaar botsen en vervolgens aan elkaar plakken om lagen te vormen. De kristalstructuur werd laag voor laag gevormd, de deeltjes vormden eerst een horizontale laag en daarna verticaal opgestapeld. Soms breken de deeltjes even af ​​om een ​​substraat op te vullen.

Luijten legt uit: Ze rennen door en aarzelen dan aan de rand voordat ze eraf vallen. Het is als een duiker die aarzelt aan de rand van een duikplank Je concludeert:
Door nanodeeltjes te observeren, nemen we deeltjes waar die groter zijn dan atomen, maar kleiner dan colloïden. We hebben dus het volledige spectrum van lengteschalen voltooid “.

video : Vloeistoffasetransmissie-elektronenmicroscopieweergave van de laag-voor-laaggroei van een kristal met glad oppervlak van concave gouden nanobuisjes. Oppervlaktemoleculen worden gevolgd op het groeiende kristal (middenposities bedekt met gele stippen). (© Erik Luijten en Qian Chen)

De onderzoekers denken dat deze informatie ingenieurs zal helpen bij het ontwerpen van nieuwe materialen, waaronder dunnefilmmaterialen, die vaak worden gebruikt om flexibele elektronische componenten, fotodiodes, transistors en zonnecellen te produceren.

bron : Nanotechnologie van de natuur