I ricercatori della Brown University hanno assemblato complesse sovrastrutture su macroscala da blocchi di nanoparticelle a forma di piramide. La ricerca, descritto nel giornale Natura , dimostra un nuovo modo promettente per portare le proprietà utili delle nanoparticelle a materiali e dispositivi su macroscala.

"C'è stata molta ricerca nella creazione di sovrastrutture da nanoparticelle sferiche, ma molto meno usando blocchi di costruzione tetraedrici, " disse Ou Chen, un assistente professore di chimica alla Brown e autore senior dello studio. "I tetraedri aprono la possibilità di realizzare strutture molto più complesse, e la sovrastruttura 3D che dimostriamo qui è una delle più complesse mai assemblate da singoli componenti di nanoparticelle".

Il gruppo di ricerca di Chen ha sviluppato i mattoni utilizzati nello studio un anno fa. Le particelle sono punti quantici, semiconduttori su nanoscala che possono assorbire ed emettere luce. La loro forma tetraedrica (piramidale) presenta importanti vantaggi rispetto alle sfere, Chen dice, quando li si usa per costruire strutture più grandi. I tetraedri possono impacchettarsi con meno spazio vuoto delle sfere, rendendo le strutture potenzialmente più robuste. Inoltre, le particelle utilizzate nello studio sono anisotrope, il che significa che hanno proprietà diverse a seconda del loro orientamento l'uno rispetto all'altro. Sfere, d'altra parte, sono uguali in ogni direzione.

Nel caso dei punti quantici tetraedrici, l'anisotropia è stata generata trattando una faccia piatta, o sfaccettatura, di ogni piramide con un ligando diverso (un agente legante chimico) rispetto alle altre sfaccettature.

"I ligandi aiutano a dirigere il processo di contatto che si verifica quando due particelle si uniscono faccia a faccia, " disse Yasutaka Nagaoka, un ricercatore post-dottorato nel gruppo di Chen e il principale contributore al progetto. "In questo caso, sfaccettature con ligandi simili si attraggono, che offre un certo grado di controllo su come le particelle si organizzano."

Questo è in contrasto con le sfere isotrope, che si dispongono in modo casuale.

"L'anisotropia aumenta la complessità delle sovrastrutture che possiamo realizzare rispetto all'utilizzo di sfere isotrope, " Ha detto Chen. "Ci dà anche il potere di controllare l'allineamento atomico delle particelle nei supercristalli, che potrebbero dar luogo a interessanti proprietà. Per esempio, puoi prevedere che l'allineamento darà origine a migliori proprietà elettroniche perché gli elettroni saltano più facilmente attraverso il reticolo della sovrastruttura."

Per il loro studio, Chen e i suoi colleghi hanno sciolto i loro punti quantici tetraedrici in soluzione, ha poi permesso alle particelle di assemblarsi in tre diversi tipi di sovrastrutture:filamenti unidimensionali, reticoli cristallini bidimensionali e supercristalli tridimensionali.

I supercristalli 3-D erano particolarmente interessanti, Chen dice, per la loro complessità e per il modo interessante in cui si sono formati. Le singole nanoparticelle hanno prima formato ammassi sferici di 36 particelle ciascuno. Quei cluster hanno poi formato le sovrastrutture più grandi. Quando i ricercatori hanno caratterizzato la struttura in dettaglio utilizzando la diffusione dei raggi X, hanno scoperto che la struttura atomica del reticolo era effettivamente allineata, come avevano sperato.

Ora che hanno mostrato un metodo per formare le strutture, il passo successivo è quello di interrogare le loro proprietà.

"I mattoni dei punti quantici sono interessanti di per sé, " Ha detto Chen. "Hanno un'interessante dinamica dei fotoni, che possono tradursi in interessanti proprietà ottiche nelle sovrastrutture.

"Dobbiamo capire come assemblare queste strutture più grandi e complesse, " ha detto. "Penso che questi saranno un ponte che porterà le dinamiche su nanoscala nella macroscala e consentirà nuovi tipi di metamateriali e dispositivi".