Il segreto di un trucco di magia a lungo nascosto dietro l'autoassemblaggio delle strutture di nanocristalli sta iniziando a essere rivelato.

La trasformazione di semplici particelle colloidali, frammenti di materia sospesi in soluzione, in particelle strettamente belle maglie simili a pizzi, o superreticoli, ha sconcertato i ricercatori per decenni. Belle immagini in sé, questi minuscoli superreticoli, chiamati anche punti quantici, vengono utilizzati per creare schermi di visualizzazione più vividi e array di dispositivi sensori ottici. Il massimo potenziale dei punti quantici per trasformare qualsiasi superficie in uno schermo intelligente o cerniere per fonti di energia, in parte, per capire come si formano.

Attraverso una combinazione di tecniche tra cui l'evaporazione controllata del solvente e la diffusione dei raggi X di sincrotrone, l'autoassemblaggio in tempo reale delle strutture di nanocristalli è diventato ora osservabile in situ. I risultati sono stati riportati sulla rivista Materiali della natura in un articolo dell'assistente professore William A. Tisdale e dello studente universitario Mark C. Weidman, entrambi al Dipartimento di Ingegneria Chimica del MIT, e Detlef-M. Smilgie alla sorgente di sincrotrone ad alta energia di Cornell (CHESS).

I ricercatori prevedono che le loro nuove scoperte avranno implicazioni per la manipolazione diretta dei superreticoli risultanti, con la possibilità di fabbricazione su richiesta e il potenziale per generare principi per la formazione di materiali morbidi correlati come proteine ​​e polimeri.

Quantum dot discoteca

Tisdale e i suoi colleghi sono tra i tanti gruppi che studiano i nanocristalli di semiconduttori duri con superfici rivestite di molecole organiche. Questi materiali elettronici processabili in soluzione sono ora sugli scaffali dei negozi sotto una varietà di nomi, incorporato in tutto, dai display luminosi ai televisori. Sono anche interessati alla realizzazione di celle solari efficienti e altri dispositivi di conversione dell'energia grazie alla loro facilità di fabbricazione e ai processi di produzione a basso costo.

L'adozione più ampia di questi nanocristalli in altre tecnologie di conversione dell'energia è stata limitata, in parte, dalla mancanza di conoscenza su come si autoassemblano, passando da particelle colloidali (come minuscole palline di polistirolo sospese in un liquido) a superreticoli (immagina quelle stesse palline ora asciutte, confezionato, e allineato).

Tecniche tra cui la microscopia elettronica e la diffusione dinamica della luce hanno scoperto alcuni aspetti dello stato colloidale iniziale e della struttura finale del superreticolo, ma non hanno illuminato la transizione tra questi due stati. Infatti, tale lavoro fondamentale risale alla metà degli anni '90 con il gruppo di Moungi Bawendi al MIT.

"Negli ultimi 10-15 anni, sono stati fatti molti progressi nella realizzazione di strutture di nanocristalli molto belle, " dice Tisdale. "Tuttavia, c'è ancora molto dibattito sul perché si assemblano in ogni configurazione. È l'entropia del ligando o la sfaccettatura dei nanocristalli? La profondità delle informazioni fornite osservando l'intero processo di auto-organizzazione svolgersi in tempo reale può aiutare a rispondere a queste domande".

Camera dei segreti

Per realizzare il filmato su scala nanometrica sopra, Mark Weidman, studente laureato e coautore di Tisdale, ha approfittato di una camera sperimentale sviluppata da Cornell e di una configurazione a doppio rivelatore recentemente sviluppata con due rivelatori di area veloce, mentre le condizioni ambientali sono state modificate durante la formazione dei superreticoli. Utilizzando nanocristalli di solfuro di piombo, Weidman è stato in grado di condurre osservazioni simultanee di scattering di raggi X a piccolo angolo (catturando la struttura del superreticolo) e di scattering di raggi X ad ampio angolo (catturando l'orientamento della scala atomica e l'allineamento di singole particelle) durante l'evaporazione di un solvente.

"Crediamo che questo sia stato il primo esperimento che ci ha permesso di osservare in tempo reale e in un ambiente nativo come avviene l'autoassemblaggio, " Dice Tisdale. "Questi esperimenti non sarebbero stati possibili senza le capacità sperimentali sviluppate da Detlef e dal team di CHESS".

L'uso di nanocristalli con un elemento pesante (piombo) e la luminosità della sorgente di raggi X di sincrotrone hanno consentito una raccolta di dati sufficientemente rapida da poter osservare l'autoassemblaggio in tempo reale, con conseguente immagini e filmati avvincenti del processo.

Una maglia fine

La scoperta potrebbe portare a modelli raffinati per l'autoassemblaggio di un'ampia gamma di materiali morbidi organici. Inoltre, la capacità di osservare la struttura mentre si evolve in tempo reale promette anche di intervenire o indirizzare il sistema nelle configurazioni desiderate, presagire una futura guida pratica per la creazione di superreticoli.

Tisdale afferma che è necessario fare molto più lavoro per ottenere informazioni sul motivo per cui i nanocristalli si autoassemblano nel modo in cui lo fanno. Lui e il suo team hanno in programma di utilizzare la loro nuova tecnica per manipolare parametri come le condizioni del solvente, nonché le dimensioni e la forma dei nanocristalli, e studiare più da vicino i ligandi sulla superficie in quanto sembrano essere il fattore chiave per l'autoassemblaggio.

"Speriamo che questo studio e questa tecnica aiutino ad aumentare la nostra comprensione dell'autoassemblaggio colloidale e, a lungo termine, permetterci di dirigere l'autoassemblaggio su scala nanometrica verso una struttura desiderata, " aggiunge Weidman.