Alcuni dei cristalli più piccoli del mondo sono conosciuti come "atomi artificiali" perché possono organizzarsi in strutture che sembrano molecole, compresi i "superreticoli" che sono potenziali elementi costitutivi per nuovi materiali.

Ora gli scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e dell'Università di Stanford hanno fatto la prima osservazione di questi nanocristalli che formano rapidamente superreticoli mentre stanno ancora crescendo. Ciò che apprendono aiuterà gli scienziati a mettere a punto il processo di assemblaggio e ad adattarlo per creare nuovi tipi di materiali per cose come l'archiviazione magnetica, celle solari, optoelettronica e catalizzatori che accelerano le reazioni chimiche.

La chiave per farlo funzionare è stata la fortuita scoperta che i superreticoli possono formarsi supervelocemente - in pochi secondi anziché nelle solite ore o giorni - durante la sintesi di routine dei nanocristalli. Gli scienziati hanno utilizzato un potente fascio di raggi X presso la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) di SLAC per osservare la crescita dei nanocristalli e la rapida formazione di superreticoli in tempo reale.

Un documento che descrive la ricerca, che è stato fatto in collaborazione con scienziati dell'Argonne National Laboratory del DOE, è stato pubblicato oggi in Natura .

"L'idea è vedere se possiamo ottenere una comprensione indipendente di come crescono questi superreticoli in modo da renderli più uniformi e controllarne le proprietà, " ha detto Chris Tassone, uno scienziato dello staff di SSRL che ha guidato lo studio con Matteo Cargnello, assistente professore di ingegneria chimica a Stanford

Piccoli cristalli con proprietà fuori misura

Gli scienziati producono nanocristalli in laboratorio dagli anni '80. A causa delle loro piccole dimensioni, sono miliardesimi di metro di larghezza e contengono solo da 100 a 10, 000 atomi ciascuno:sono governati dalle leggi della meccanica quantistica, e questo conferisce loro interessanti proprietà che possono essere modificate variando la loro dimensione, forma e composizione. Ad esempio, nanocristalli sferici noti come punti quantici, che sono fatti di materiali semiconduttori, bagliore di colori che dipendono dalle loro dimensioni; sono utilizzati nell'imaging biologico e, più recentemente, negli schermi televisivi ad alta definizione.

All'inizio degli anni '90, i ricercatori hanno iniziato a utilizzare i nanocristalli per costruire superreticoli, che hanno la struttura ordinata dei cristalli regolari, ma con piccole particelle al posto dei singoli atomi. Queste, pure, dovrebbero avere proprietà insolite che sono più della somma delle loro parti.

Ma fino ad ora, i superreticoli sono stati coltivati ​​lentamente a basse temperature, a volte in pochi giorni.

Che è cambiato nel febbraio 2016, quando il ricercatore post-dottorato di Stanford Liheng Wu ha scoperto casualmente che il processo può avvenire molto più velocemente di quanto gli scienziati avessero pensato.

"Sta succedendo qualcosa di strano"

Stava cercando di creare nanocristalli di palladio, un metallo argenteo che viene utilizzato per promuovere reazioni chimiche nei convertitori catalitici e in molti processi industriali, riscaldando una soluzione contenente atomi di palladio a più di 230 gradi Celsius. L'obiettivo era capire come si formano queste minuscole particelle, quindi le loro dimensioni e altre proprietà potrebbero essere regolate più facilmente.

Il team ha aggiunto piccole finestre a una camera di reazione delle dimensioni di un mandarino in modo da poter far brillare un raggio di raggi X SSRL e osservare cosa stava succedendo in tempo reale.

"È un po' come cucinare, Ha spiegato Cargnello. “La camera di reazione è come una pentola. Aggiungiamo un solvente, che è come l'olio per friggere; gli ingredienti principali per i nanocristalli, come il palladio; e condimenti, che in questo caso sono composti tensioattivi che regolano le condizioni di reazione in modo da poter controllare la dimensione e la composizione delle particelle. Una volta messo tutto in padella, lo scaldi e friggi la tua roba."

Il dottorando Wu e lo studente universitario di Stanford Joshua Willis si aspettavano di vedere lo schema caratteristico creato dai raggi X che si disperdono sulle minuscole particelle. Invece hanno visto uno schema completamente diverso.

"Quindi sta succedendo qualcosa di strano, "hanno scritto al loro consulente.

La cosa strana era che i nanocristalli di palladio si stavano assemblando in superreticoli.

Un equilibrio di forze

A questo punto, "La sfida era capire cosa unisce le particelle e le attrae l'una verso l'altra ma non troppo forte, così hanno spazio per dimenarsi e sistemarsi in una posizione ordinata, " disse Jian Qin, un assistente professore di ingegneria chimica a Stanford che ha eseguito calcoli teorici per comprendere meglio il processo di autoassemblaggio.

Una volta formati i nanocristalli, quello che sembra accadere è che acquisiscano una sorta di rivestimento peloso di molecole di tensioattivo. I nanocristalli brillano insieme, attratti da forze deboli tra i loro nuclei, e poi un equilibrio finemente sintonizzato di forze attrattive e repulsive tra le molecole di tensioattivo penzolanti le mantiene nella giusta configurazione per la crescita del superreticolo.

Con sorpresa degli scienziati, i singoli nanocristalli poi hanno continuato a crescere, insieme ai superlattici, fino a quando tutti gli ingredienti chimici nella soluzione sono stati esauriti, e questa crescita inaspettata ha fatto gonfiare il materiale. I ricercatori hanno detto che pensano che questo si verifichi in una vasta gamma di sistemi di nanocristalli, ma non era mai stato visto perché non c'era modo di osservarlo in tempo reale prima degli esperimenti del team a SSRL.

"Una volta compreso questo sistema, ci siamo resi conto che questo processo potrebbe essere più generale di quanto inizialmente pensavamo, " Wu ha detto. "Abbiamo dimostrato che non è solo limitato ai metalli, ma può anche essere esteso ai materiali semiconduttori e molto probabilmente a un insieme di materiali molto più ampio".

Il team ha condotto esperimenti di follow-up per scoprire di più su come crescono i superreticoli e su come possono modificare le dimensioni, composizione e proprietà del prodotto finito.