Un team di scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e della Carnegie Institution di Washington è riuscito a "osservare" la crescita delle nanoparticelle in tempo reale.

La tecnica rivoluzionaria consente ai ricercatori di conoscere le prime fasi della generazione di nanoparticelle, a lungo un mistero a causa di metodi di indagine inadeguati, e potrebbe portare a prestazioni migliori dei nanomateriali in applicazioni comprese le celle solari, rilevamento e altro ancora.

"La crescita dei nanocristalli è il fondamento della nanotecnologia, " ha detto il ricercatore capo Yugang Sun, un chimico delle Argonne. "Comprenderlo consentirà agli scienziati di personalizzare in modo più preciso le nuove e affascinanti proprietà delle nanoparticelle".

L'aspetto e il comportamento delle nanoparticelle dipende dalla loro architettura:dimensione, forma, struttura e chimica di superficie. Questo, a sua volta, dipende molto dalle condizioni in cui vengono coltivate.

"Il controllo accurato delle nanoparticelle è molto difficile, " ha spiegato Sun. "È ancora più difficile riprodurre le stesse nanoparticelle da un lotto all'altro, perché ancora non conosciamo tutte le condizioni per la ricetta. Temperatura, pressione, umidità, impurità:tutte influenzano la crescita, e continuiamo a scoprire più fattori."

Per capire come crescono le nanoparticelle, gli scienziati avevano bisogno di osservarli effettivamente in atto. Il problema era che la microscopia elettronica, il solito metodo per vedere giù nel livello atomico delle nanoparticelle, richiede un vuoto. Ma molti tipi di nanocristalli devono crescere in un mezzo liquido e il vuoto in un microscopio elettronico lo rende impossibile. Una speciale cella sottile consente di analizzare una piccola quantità di liquido al microscopio elettronico, ma ha comunque limitato i ricercatori a uno strato liquido di appena 100 nanometri di spessore, che è significativamente diverso dalle condizioni reali per la sintesi delle nanoparticelle.

Per risolvere questo enigma, Sun ha scoperto che aveva bisogno di utilizzare i raggi X ad altissima energia forniti al settore 1 dell'Advanced Photon Source (APS) di Argonne, che confina con il Center for Nanoscale Materials del laboratorio, dove lavora. Lo schema dei raggi X diffusi dal campione ha permesso ai ricercatori di ricostruire le prime fasi dei nanocristalli secondo per secondo.

"Questa tecnica produce un tesoro di informazioni, soprattutto sulle fasi di nucleazione e crescita dei cristalli, che non eravamo mai stati in grado di ottenere prima, " disse Sole.

L'intensità dei raggi X influisce sulla crescita dei nanocristalli, Sole ha detto, ma gli effetti sono diventati significativi solo dopo un tempo di reazione particolarmente lungo. "Ottenere un'immagine chiara del processo di crescita ci consentirà di controllare i campioni per ottenere risultati migliori, ed eventualmente, nuovi nanomateriali che avranno una vasta gamma di applicazioni, ” ha spiegato il sole.

I nanomateriali potrebbero essere utilizzati nelle celle solari fotovoltaiche, sensori chimici e biologici e persino immagini. Per esempio, le nanoplacche di metalli nobili possono assorbire la luce nel vicino infrarosso, quindi possono essere utilizzati per migliorare il contrasto nelle immagini. In un caso possibile, un'iniezione di nanoparticelle appositamente adattate vicino al sito del tumore di un malato di cancro potrebbe aumentare il contrasto di imaging tra cellule normali e cancerose in modo che i medici possano mappare con precisione il tumore.

"La chiave di questa svolta è stata la nostra capacità unica di lavorare con gli scienziati dell'Advanced Photon Source, il Centro per i materiali su scala nanometrica e il Centro di microscopia elettronica, tutto in un unico posto, " ha detto Sole.