Per la prima volta, scienziati e ingegneri hanno osservato in tempo reale come due tipi di nanoparticelle realizzate con materiali diversi si combinano per formare nuovi materiali compositi.
Un team collaborativo di ricercatori guidato dal professor Christopher B. Murray del PIK ha osservato per la prima volta la crescita di una sovrastruttura composita da nanocristalli in tempo reale. La scoperta potrebbe consentire agli ingegneri di produrre in modo più affidabile materiali di prossima generazione combinando diversi nanocristalli. Qui è mostrata un’impressione artistica di superreticoli nanocristallini binari sferici con nanocristalli semiconduttori (emissivi) e magnetici/plasmonici (non emissivi). Credito immagine: per gentile concessione di Emanuele Marino
I risultati, riportati da un team guidato dal Università della Pennsylvania e il Università del Michiganpotrebbe aiutare gli ingegneri ad avere un maggiore controllo sull’assemblaggio di materiali compositi che combinano le proprietà desiderabili di ciascuna particella, come la fotoluminescenza, il magnetismo e la capacità di condurre elettricità.
“Capire come questi materiali reagiscono tra loro ci consentirà di costruire una libreria più completa delle strutture che possono formare quando si combinano”, afferma Christopher Murray, professore della Penn Integrates Knowledge University con incarichi presso la School of Arts & Sciences e School of Engineering and Applied Science e autore senior dello studio pubblicato in Sintesi della natura.
Le strutture composite sono un tipo di binario superreticolo di nanocristalli e potrebbe essere utilizzato per dispositivi elettronici e ottici nonché per la produzione e lo stoccaggio di energia basati sull’uso di materiali compositi.
“La combinazione di nanoparticelle fotoluminescenti e magnetiche, ad esempio, potrebbe consentire di cambiare il colore di un laser utilizzando un campo magnetico”, afferma Emanuele Marino, co-primo autore dell’articolo ed ex ricercatore post-dottorato presso l’Università di Los Angeles. Laboratorio Murray.
Gli ingegneri in genere creano superreticoli binari di nanocristalli mescolando blocchi di nanoparticelle in una soluzione e lasciando asciugare una gocciolina della soluzione. Man mano che la goccia si restringe, le particelle si combinano nelle sovrastrutture composite desiderate.
Gli ingegneri hanno poi colpito i cristalli con i raggi X per vedere le strutture nanocristalline risultanti. Ogni struttura cristallina diffonde i raggi X secondo uno schema unico, che funge da impronta digitale per identificare i cristalli.
Vedere come questi cristalli si assemblano in tempo reale è stata una sfida scientifica perché si formano troppo velocemente per la maggior parte delle tecniche di diffusione dei raggi X. Senza vedere i passaggi che portano alla struttura finale, gli scienziati si chiedono come le loro miscele di nanocristalli portino alle sovrastrutture.
Il team ha creato le prime misurazioni di diffusione dei raggi X in tempo reale dei superreticoli rallentando il processo di assemblaggio e utilizzando tecniche di diffusione dei raggi X più veloci con l’aiuto della National Synchrotron Light Source II presso il Brookhaven National Laboratory di Upton, New York.
“L’elevato flusso di raggi X della struttura e la rapida raccolta di dati potrebbero tenere il passo con la velocità con cui si sono formati i cristalli”, afferma Esther Tsai, scienziata del Brookhaven National Laboratory e coautrice dello studio.
Per rallentare l’assemblaggio del reticolo, i ricercatori hanno mescolato diverse nanoparticelle in un’emulsione oleosa, quasi come un condimento magnetico per l’insalata, quindi hanno messo l’emulsione in acqua. La miscela di nanoparticelle si è ridotta man mano che l’olio si diffondeva nell’acqua, ma molto più lentamente rispetto al metodo convenzionale di essiccazione all’aria.
Dopo una prima fase di crescita rapida che dura fino a cinque minuti, i nanocristalli si uniscono espellendo lentamente l’ultimo olio rimanente nell’arco di tre-cinque ore.
Osservare i cristalli nascenti ha permesso al team dell’Università del Michigan di derivare la fisica che spiega come si sono formati i reticoli compositi, modellando il processo con simulazioni al computer.
“Con le informazioni temporali ricavate dagli esperimenti, possiamo costruire un modello predittivo che riproduce non solo la struttura finale ma l’intero percorso di assemblaggio della struttura”, afferma Sharon Glotzer del Michigan, autrice senior dello studio.
Il team ha scoperto che l’assemblaggio del superreticolo binario di nanocristalli avviene attraverso attrazioni a corto raggio tra gli elementi costitutivi delle nanoparticelle, indipendentemente dal tipo di nanoparticelle utilizzate, e “ha inoltre confermato che non si è formata alcuna fase intermedia prima del cristallo finale, e che la superficie delle goccioline di emulsione non si è formata”. non svolgono un ruolo nella formazione del cristallo”, afferma Allen LaCour, Ph.D. laureato presso l’Università del Michigan e co-primo autore dello studio.
Senza altri fattori esplicativi, le simulazioni hanno concluso che la forza delle interazioni dei nanocristalli è il fattore principale che determina la struttura del superreticolo composito nelle goccioline che si restringono. La forza di interazione può essere modificata con la dimensione delle particelle e la carica elettrica o aggiungendo determinati elementi alle particelle.
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