Un team di ricerca del PNNL ha scoperto che le forze atomiche ritenute "deboli" possono effettivamente esercitare un controllo maggiore di quanto si sia capito. E quella nuova scoperta, pubblicato il 25 febbraio sulla rivista Comunicazioni sulla natura , potrebbe aiutare a prevedere meglio ed eventualmente controllare la produzione di materiali semiconduttori utilizzati nell'elettronica e in altre applicazioni industriali.

Gli scienziati dei materiali Lili Liu ed Elias Nakouzi hanno guidato un team multidisciplinare che ha esplorato la formazione di ossido di zinco, una sostanza incredibilmente versatile che viene utilizzata in una vasta gamma di prodotti, dalla crema per dermatite da pannolino ai semiconduttori. Mentre la formula molecolare (ZnO) rimane la stessa, il modo in cui le molecole si allineano determina le loro proprietà.

"Tradizionalmente, si pensa che la crescita dei cristalli avvenga per aggiunta di singoli atomi, " disse Liu. "Ma i cristalli possono crescere anche in un altro modo. Le singole nanoparticelle possono diventare i mattoni che si attaccano l'uno all'altro per formare un cristallo più grande. Questo si chiama attaccamento orientato, e abbiamo studiato come funziona durante la crescita dell'ossido di zinco."

Gli scienziati hanno utilizzato una combinazione di microscopia elettronica a trasmissione ad altissima risoluzione e simulazioni matematiche per spiegare le loro scoperte. La sinergia unica tra questi strumenti ha consentito ai ricercatori di affrontare il problema da più angolazioni.

"Le particelle sono come mini-magneti, con un'estremità positiva l'altra negativa, formando quello che viene chiamato un dipolo", ha detto Nakouzi. "Abbiamo scoperto che un debole, La forza motrice a lungo raggio chiamata interazione dipolo-dipolo può allineare le particelle su distanze maggiori di quanto si ritenesse possibile. Perché un dipolo agisce come un magnete, quell'interazione crea una coppia che allinea le particelle. Quindi, quando si avvicinano abbastanza, scattano in posizione. Questo meccanismo non era mai stato visualizzato prima".

Per assicurare la loro fiducia nell'osservazione, gli scienziati hanno ottimizzato le concentrazioni di solvente e sale, che ha impedito la dissoluzione dei cristalli di nanoparticelle e ha consentito l'osservazione dell'adesione delle particelle.

La ricerca fornisce risposte a domande di vecchia data sui meccanismi di cristallizzazione, cristallizzazione specificamente non classica tramite attacco orientato. La sua natura fondamentale fa sì che non sia immediatamente traducibile in sviluppo di prodotto o applicazioni tecnologiche, e i risultati dovranno essere confermati in altri tipi di strutture cristalline, disse Nakouzi. Ma la cristallizzazione si trova al crocevia di molteplici problemi di ricerca, e il team di ricerca prevede un ampio significato di questi risultati nella sintesi dei materiali e nelle applicazioni di gestione ambientale.

"Gli approcci alla realizzazione di materiali basati sull'assemblaggio di nanoparticelle hanno un enorme potenziale per ottenere proprietà nuove o migliorate per un'ampia gamma di applicazioni energetiche, dall'energia solare alle batterie ai catalizzatori, " ha detto James De Yoreo, un Battelle Fellow al PNNL e scienziato senior nel gruppo di ricerca. "La comprensione di come funziona il processo di assemblaggio e di come può essere controllato è fondamentale per realizzare tale potenziale. I risultati di questo studio rivelano uno dei controlli chiave sull'assemblaggio delle nanoparticelle per un'importante classe di materiali semiconduttori e suggeriscono un approccio semplice alla direzione il processo."