Nella crescita dei cristalli, le nanoparticelle agiscono come "atomi artificiali" formando blocchi di tipo molecolare che possono assemblarsi in strutture complesse? Questa è la tesi di una teoria importante ma controversa per spiegare la crescita dei nanocristalli. Uno studio condotto da ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del DOE potrebbe risolvere la controversia e indicare la strada per i dispositivi energetici del futuro.

Guidato da Haimei Zheng, uno scienziato del personale nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, i ricercatori hanno utilizzato una combinazione di microscopia elettronica a trasmissione e tecniche avanzate di manipolazione delle cellule liquide per effettuare osservazioni in tempo reale della crescita di nanobarre da nanoparticelle di platino e ferro. Le loro osservazioni supportano la teoria delle nanoparticelle che agiscono come atomi artificiali durante la crescita dei cristalli.

"Abbiamo osservato che quando le nanoparticelle si attaccano, inizialmente formano catene policristalline sinuose, " Zheng dice. "Queste catene alla fine si allineano e si attaccano da un capo all'altro per formare nanofili che si raddrizzano e si allungano in nanobarre a cristallo singolo con rapporti lunghezza-spessore fino a 40:1. Questo processo di crescita dei nanocristalli, per cui le catene di nanoparticelle e le nanoparticelle fungono da elementi costitutivi fondamentali per le nanobarre, è intelligente ed efficiente."

Zheng è l'autore corrispondente di un articolo che descrive questa ricerca sulla rivista Scienza . Il documento è intitolato "Imaging in tempo reale della crescita dei nanorodi di Pt3Fe in soluzione". I coautori sono Hong-Gang Liao, Likun Cui e Stephen Whitelam.

Se si vuole anche solo avvicinarsi al potenziale quasi illimitato della nanotecnologia, gli scienziati avranno bisogno di una comprensione molto migliore di come le particelle di dimensioni nanometriche possono assemblarsi in strutture gerarchiche di organizzazione e complessità sempre crescenti. Tale comprensione deriva dal monitoraggio delle traiettorie di crescita delle nanoparticelle e dalla determinazione delle forze che guidano queste traiettorie.

Attraverso l'uso della microscopia elettronica a trasmissione e delle celle di osservazione dei liquidi, gli scienziati del Berkeley Lab e altrove hanno compiuto progressi significativi nell'osservazione delle traiettorie di crescita delle nanoparticelle, compreso l'attaccamento orientato delle nanoparticelle - il fenomeno chimico che avvia la crescita dei nanocristalli in soluzione. Però, queste osservazioni sono state tipicamente limitate ai primi minuti di crescita dei cristalli. Nel loro studio, Zheng e i suoi colleghi sono stati in grado di estendere il tempo di osservazione da minuti a ore.

"La chiave per studiare la crescita di nanocristalli colloidali con diverse forme e architetture è mantenere il liquido nella finestra di visualizzazione abbastanza a lungo da consentire reazioni complete, " Zheng dice. "Abbiamo sciolto i precursori molecolari del platino e del ferro in un solvente organico e utilizzato la pressione capillare per aspirare la soluzione di crescita in una cella liquida di nitruro di silicio che abbiamo sigillato con resina epossidica. La sigillatura della cella era particolarmente importante in quanto aiutava a evitare che il liquido diventasse viscoso nel tempo. In precedenza, vedremmo spesso i liquidi diventare viscosi e questo impedirebbe che si verifichino le interazioni delle nanoparticelle che guidano la crescita dei cristalli".

Zheng ei suoi colleghi hanno scelto di studiare la crescita dei nanotubi di ferro platino a causa del potenziale promettente del materiale elettrocatalitico per l'uso nei dispositivi di conversione e stoccaggio dell'energia di prossima generazione. Sono stati in grado di osservare queste nanoparticelle assemblarsi in cristalli di nanorod utilizzando potenti microscopi elettronici a trasmissione presso il Centro nazionale per la microscopia elettronica del Berkeley Lab, incluso TEAM 0.5 (microscopio con correzione dell'aberrazione elettronica a trasmissione), che può produrre immagini con una risoluzione di metà angstrom, inferiore al diametro di un singolo atomo di idrogeno.

"Da quanto abbiamo osservato esistono solo singole nanoparticelle all'inizio della crescita dei cristalli, ma, man mano che la crescita procede, piccole catene di nanoparticelle diventano dominanti finché, in definitiva, si vedono solo lunghe catene di nanoparticelle, " Zheng dice. "Le nostre osservazioni forniscono un collegamento tra il mondo delle singole molecole e le nanostrutture gerarchiche, aprendo la strada alla progettazione razionale di nanomateriali con proprietà controllate".