I ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno osservato i cristalli di semiconduttori su nanoscala espandersi e restringersi in risposta a potenti impulsi di luce laser. Questa "respirazione" ultraveloce fornisce nuove informazioni su come tali minuscole strutture cambiano forma quando iniziano a fondersi, informazioni che possono aiutare i ricercatori a personalizzare il loro utilizzo per una vasta gamma di applicazioni.

Nell'esperimento che utilizza il laser a raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, i ricercatori hanno prima esposto i nanocristalli a un'esplosione di luce laser, seguito da vicino da un impulso a raggi X ultraluminosi che ha registrato i cambiamenti strutturali risultanti nei dettagli su scala atomica all'inizio della fusione.

"Questa è la prima volta che possiamo misurare i dettagli di come questi materiali ultrapiccoli reagiscono quando vengono sollecitati ai loro limiti, " ha detto Aaron Lindenberg, un assistente professore presso SLAC e Stanford che ha condotto l'esperimento. I risultati sono stati pubblicati il ​​12 marzo in Comunicazioni sulla natura .

Conoscere i punti quantici

I cristalli studiati allo SLAC sono noti come "punti quantici" perché mostrano tratti unici su scala nanometrica che sfidano la fisica classica che governa le loro proprietà su scala più ampia. I cristalli possono essere sintonizzati cambiando la loro dimensione e forma per emettere colori specifici di luce, Per esempio.

Quindi gli scienziati hanno lavorato per incorporarli nei pannelli solari per renderli più efficienti e nei display dei computer per migliorare la risoluzione consumando meno batteria. Questi materiali sono stati studiati anche per un potenziale utilizzo in batterie e celle a combustibile e per la somministrazione mirata di farmaci.

Gli scienziati hanno anche scoperto che questi e altri nanomateriali, che può contenere solo decine o centinaia di atomi, possono essere molto più resistenti ai danni rispetto a pezzi più grandi degli stessi materiali perché mostrano una struttura cristallina più perfetta nelle squame più piccole. Questa proprietà potrebbe rivelarsi utile nei componenti della batteria, Per esempio, poiché le particelle più piccole possono resistere a più cicli di carica rispetto a quelle più grandi prima di degradarsi.

Una sorpresa nel "respiro" di minuscole sfere e nanofili

Nell'esperimento LCLS, i ricercatori hanno studiato sfere e nanofili fatti di solfuro di cadmio e seleniuro di cadmio che erano solo da 3 a 5 nanometri, o miliardesimi di metro, attraverso. I nanofili erano lunghi fino a 25 nanometri. A confronto, gli amminoacidi – i mattoni delle proteine ​​– sono lunghi circa 1 nanometro, e i singoli atomi sono misurati in decimi di nanometri.

Esaminando i nanocristalli da molte angolazioni diverse con impulsi a raggi X, i ricercatori hanno ricostruito come cambiano forma quando vengono colpiti da un impulso laser ottico. Sono rimasti sorpresi nel vedere le sfere e i nanofili espandersi in larghezza di circa l'1 percento e poi contrarsi rapidamente in pochi femtosecondi, o quadrilionesimi di secondo. Hanno anche scoperto che i nanofili non si espandono in lunghezza, e ha mostrato che il modo in cui i cristalli rispondono alla deformazione era accoppiato al modo in cui la loro struttura si scioglie.

In una precedente, studio separato, un altro team di ricercatori aveva utilizzato LCLS per esplorare la risposta di particelle d'oro più grandi su scale temporali più lunghe.

"Nel futuro, vogliamo estendere questi esperimenti a nanostrutture più complesse e tecnologicamente rilevanti, e anche per consentire l'esplorazione a raggi X di dispositivi su scala nanometrica mentre sono in funzione, "Ha detto Lindenberg. "Sapere come i materiali cambiano sotto sforzo può essere usato insieme alle simulazioni per progettare nuovi materiali con nuove proprietà".