Le simulazioni al computer hanno identificato le condizioni in cui i cubi su scala nanometrica si sarebbero autoassemblati in una griglia, incorporando forme triangolari piatte tra loro. Questa tecnica potrebbe aiutare ad abilitare nuovi tipi di materiali con nuove proprietà. Credito:Glotzer Lab, Università del Michigan
Un progetto per la progettazione di nuovi materiali utilizzando combinazioni difficili di nanocristalli è stato sviluppato da un team di ricercatori dell'Università della Pennsylvania e dell'Università del Michigan.
Il lavoro potrebbe portare a miglioramenti nei nanocristalli già utilizzati nei display, diagnostica per immagini e diagnostica, e abilitare nuovi materiali con proprietà precedentemente impossibili.
I ricercatori possono creare materiali con proprietà nuove e interessanti riunendo nanocristalli di diverse composizioni, dimensioni e forme. La sfida è farlo in modo organizzato. Ora, il team di Penn e UM ha sviluppato una strategia che esplora le nanoparticelle disponibili e scopre come incollarle insieme.
"È uno di quei problemi in cui 'come piace come, '" ha detto la recente laureata in Ph.D. Katherine Elbert, che ha condotto questo studio mentre lavorava nel laboratorio di Chris Murray, un professore Penn Integrates Knowledge (PIK) in scienza dei materiali e ingegneria.
Questa tendenza significa che i diversi tipi di nanocristalli spesso si separano, formando blob disordinati piuttosto che integrati, solidi ordinati.
"Qui, stiamo cercando di superare quella barriera e creare materiali in cui i nanocristalli sono accoppiati con precisione ai loro vicini per ibridare le loro proprietà, " disse Elberto.
Modellazione al computer del gruppo di Sharon Glotzer, il John W. Cahn Distinguished University Professor of Engineering presso la U-M, ha dimostrato un modo per eludere questa barriera rivestendo le nanoparticelle con molecole che ne alterano la forma per quanto riguarda le nanoparticelle vicine.
Cubi di tellururo di piombo e triangoli di fluoruro di lantanio autoassemblati in una griglia in laboratorio, quando i ricercatori hanno seguito le condizioni scoperte attraverso le simulazioni al computer. Questa tecnica potrebbe aiutare ad abilitare nuovi tipi di materiali con nuove proprietà. La barra della scala sull'immagine del microscopio elettronico è di 100 nanometri. Credito:Murray Lab, Università della Pennsylvania
"Possiamo sfruttare questi sottili cambiamenti per guidare l'assemblaggio rispetto alla segregazione, " disse Thi Vo, Assegnista di ricerca U-M in ingegneria chimica.
Una delle maggiori sfide nell'area della ricerca è il numero e i tipi di nanocristalli, con enormi librerie di nanocristalli con formule chimiche variabili, dimensioni e forme.
"Mettere ogni 'mattone' esattamente al posto giusto sarebbe insormontabile, " disse Murray. "Ma se riesci a trovare le regole con cui la natura vuole assemblare i nanocristalli, e sai come ottimizzare le condizioni e la progettazione precisa dei blocchi, ora hai quel progetto per creare diverse classi di materiali."
Il gruppo di Glotzer ha setacciato la libreria di particelle che il gruppo di Murray poteva creare, modellando le interazioni tra coppie di nanocristalli per vedere come potrebbero assemblarsi in diverse strutture desiderate. Lo studio computazionale ha raccomandato le dimensioni, forme, tipi di materiali e ambienti chimici per esperimenti di follow-up in laboratorio.
I ricercatori si sono concentrati su due classi di nanocristalli con composizioni molto diverse, dimensioni e strutture in questo studio, una con proprietà ottiche interessanti e l'altra con proprietà elettriche utili. Generalmente, non amano mischiarsi. Ma se lo facessero, potremmo potenzialmente combinarli per creare celle solari in grado di convertire la luce infrarossa in elettricità in modo più efficiente, tra le altre possibilità.
Quando il team ha controllato con precisione le dimensioni e le forme della superficie dei nanocristalli con quelle molecole di rivestimento, in modo che le giuste combinazioni di cristalli si attraggano l'un l'altro, they were able to create integrated structures. These results can be applied to other types of materials with only minor adjustments.
"By building nanoscale components and organizing them under a universal set of conditions, we can get materials properties that don't coexist or are exceedingly difficult to bring together. Ora, we have a strategy to get the nanocrystals to couple and overlap, " Murray said.
The paper in Progressi scientifici is titled "Anisotropic nanocrystal shape and ligand design for co-assembly."
