(a) Illustrazione schematica dell'esperimento ad alta pressione in una cella a incudine di diamante. Immagini di microscopia elettronica a scansione ad alta risoluzione di supercristalli 3D sfaccettati (b) autoassemblati da nanocristalli di PbS sferici colloidali da 7,0 nm (c) e corrispondenti modelli di dispersione di raggi X a piccolo angolo (d) e micro modelli di diffrazione dei raggi X ( e)
L'ordinamento preciso nei superreticoli bidimensionali (2-D) e tridimensionali (3-D) formati dall'autoassemblaggio di singoli nanocristalli (NC) consente il controllo del campo magnetico, ottico, ed accoppiamento elettronico tra le singole NC. Questo controllo può portare a proprietà collettive utili come la coerenza vibrazionale, transizioni reversibili metallo-isolante, maggiore conduttività, trasporto di elettroni dipendente dallo spin, ferro e ferrimagnetismo potenziato, magnetotrasporto sintonizzabile, ed efficiente trasporto di carica. Queste proprietà hanno molte potenziali applicazioni nelle celle solari, transistor ad effetto di campo, dispositivi emettitori di luce, fotorilevatori, e fotoconduttori.
Grazie al posizionamento preciso dei NC all'interno di un superreticolo 3D, tali sistemi sono spesso indicati come "supercristalli" (SC) in analogia ai cristalli costituiti da atomi. Ma a differenza dei cristalli atomici, Le SC offrono la flessibilità di regolare la distanza interparticellare grazie alla presenza del guscio "morbido" di ligandi organici che possono essere utilizzati per controllare le proprietà collettive in tali strutture. La stabilità strutturale e la compressibilità sono caratteristiche fondamentali di qualsiasi sistema 3D.
Un team di ricercatori dell'Argonne National Laboratory Center for Nanoscale Materials, la X-ray Science Division presso l'Argonne Advanced Photon Source (APS), GeoSoilEnviroCARS dell'Università di Chicago, che gestisce il Settore 13 presso l'APS, e la Northwestern University hanno riferito sulla prima combinazione quasi-idrostatica, alta pressione, studi di scattering di raggi X a piccolo angolo (SAXS) e micro diffrazione di raggi X (XRD) su singole faccette, Supercristalli 3-D autoassemblati da nanocristalli colloidali di PbS da 7,0 nm. La combinazione delle tecniche SAXS e XRD ha consentito una valutazione precisa della spaziatura tra le particelle durante il ciclo di pressione poiché è stata presa in considerazione la variazione di volume delle singole NC. Il neon è stato utilizzato come mezzo di trasmissione della pressione per evitare la possibilità di lisciviazione di ligandi organici dalla superficie delle NC e la perdita dell'integrità strutturale delle SC a causa della sinterizzazione. Esperimenti SAXS con cella a incudine diamantata (DAC) nell'intervallo di pressione da ambiente a 12,5 GPa, eseguita presso X-ray Science Division X-ray beamline 12-ID-C presso l'APS, ha rivelato una stabilità strutturale quasi perfetta delle SC, con organizzazione fcc delle NC. Gli esperimenti XRD, che sono stati effettuati presso GeoSoilEnviroCARS X-ray beamline 13-ID-D presso l'APS, ha dimostrato che le NC hanno un forte orientamento preferenziale delle singole NC nelle SC fino a ~ 55 GPa che viene preservato durante il ciclo di pressione.
Le proprietà meccaniche delle singole NC, le loro SC, e la matrice del ligando sono state analizzate utilizzando l'equazione degli stati derivata dai dati di compressione prodotti da SAXS e XRD. Il modulo di massa a pressione ambiente degli SC è stato calcolato essere ~ 5 GPa durante la compressione e ~ 14,5 GPa durante il ciclo di rilascio, rispettivamente. È stato scoperto che le NC subiscono una transizione di fase di primo ordine sopra 8 GPa, e la trasformazione procede attraverso un singolo evento di nucleazione (entro un intervallo di pressione di 8,1-9,2 GPa) durante la prima transizione, e nucleazione eterogenea durante la seconda trasformazione dalla fase intermedia (non ancora identificata) alla struttura CsCl. Un modulo di massa per la matrice del ligando di ~ 2,2-2,95 GPa è un ordine di grandezza maggiore di quello osservato dallo studio di nanoindentazione.
L'elevata stabilità strutturale delle SC e la capacità di regolare la spaziatura interparticellare sembrano offrire la promessa di un'ulteriore manipolazione delle proprietà collettive dei solidi artificiali auto-organizzati, comprese le strutture che consistevano in NC trasformate ad alte pressioni in una fase diversa. La combinazione di XRD e SAXS ad alta pressione offre opportunità uniche per ottenere informazioni dirette sulle proprietà meccaniche dei singoli elementi costitutivi e sulle loro architetture gerarchiche.
