Nanocząstki, które samoczynnie tworzą kryształy. To pierwsze takie nagranie

Naukowcom udało się uwiecznić proces, w którym nanocząstki samoczynnie łączą się, tworząc struktury kryształów. Nigdy przedtem nie powstało podobne nagranie. 
Nanocząstki, które samoczynnie tworzą kryształy. To pierwsze takie nagranie

Badania w tej sprawie zostały zaprezentowane na łamach Nature Nanotechnology, a zajęli się nimi przedstawiciele Northwestern University i University of Illinois. Jak przekonują, dzięki temu, co udało się do tej pory osiągnąć możliwe będzie projektowanie nowych materiałów, które zostaną wykorzystane na przykład do tworzenia zaawansowanej elektroniki.

Czytaj też: Nanokryształy zrewolucjonizują fotowoltaikę. Postęp okazał się gigantyczny

Kluczem do sukcesu okazała się transmisyjna mikroskopia elektronowa w fazie ciekłej (TEM), dzięki której udało się uzyskać bezprecedensowy wgląd w proces samoorganizacji nanocząstek. Wcześniej obserwacje obejmowały cząstki od 10 do 100 razy większe, a podstawę badań stanowiła krystalografia rentgenowska bądź mikroskopia elektronowa. Nie dało się też obserwować, jak atomy z osobna przesuwają się na miejsce.

Jak wyjaśnia jedna z autorek publikacji, Qian Chen, dzięki dokonanym postępom można było uchwycić i śledzić ruchy tysięcy nanocząstek w czasie rzeczywistym. Te nieustannie przemieszczają się w roztworze i łączą się w kryształy o różnych morfologiach, takich jak wielościany. Elementy składowe tych kryształów są wysoce uporządkowane i tworzą siatki z równo rozmieszczonych bloków. Te układają się jedna na drugiej i tworzą trójwymiarowy materiał.

Wcześniej do badania krystalizacji służyły obserwacje znacznie większych cząstek, przez co naukowcy nie mieli informacji na temat tego, jak zachowują się atomy. I choć kryształy mają płaskie, jednolite powierzchnie, to struktury krystaliczne składające się z tych większych cząstek mogą tworzyć niejednolite, chropowate powierzchnie. Innymi słowy, większe koloidy bardzo niewiele mówią nam o zachowaniu atomów.

Nanocząstki zostały uwiecznione dzięki transmisyjnej mikroskopii elektronowej w fazie ciekłej

Dzięki usprawnionej wersji metody TEM, członkowie zespołu badawczego wykorzystali nanocząstki o różnych kształtach, aby lepiej zrozumieć, jak kształt wpływa na ich zachowanie. Proces formowania kryształów został przeanalizowany za pomocą zaawansowanych symulacji komputerowych, a później przyszła pora na eksperymenty z udziałem TEM. Właśnie wtedy dało się zauważyć, jak cząsteczki zderzają się ze sobą, tworząc warstwy. Jak się okazało, cząstki najpierw tworzyły poziomą warstwę, a następnie – pionowe. Zdarzało się nawet, iż na krótki czas się od siebie odrywały, by opaść na warstwę znajdującą się niżej.

Czytaj też: Te materiały są jak croissanty świata technologii. Wreszcie umiemy je wytwarzać

Za sprawą odnotowanych postępów w badaniach na temat samoorganizacji się cząsteczek tworzących kryształy naukowcy spodziewają się poprawy w projektowaniu materiałów cienkowarstwowych. Takowe są zazwyczaj wykorzystywane do projektowania elastycznej elektroniki, diod elektroluminescencyjnych, tranzystorów i ogniw słonecznych. Po raz kolejny widzimy, że wszelkiej maści urządzenia zaczynają swoje funkcjonowanie od skali, której nie jesteśmy w stanie dostrzec gołym okiem.