La struttura adottata dalle nanoparticelle di solfuro di piombo cambia sorprendentemente spesso mentre si assemblano per formare superreticoli ordinati. Lo rivela uno studio sperimentale che è stato condotto presso la sorgente di raggi X PETRA III di DESY. Un team guidato dagli scienziati DESY Irina Lokteva e Felix Lehmkühler, dal gruppo Coherent X-ray Scattering guidato da Gerhard Grübel, ha osservato l'auto-organizzazione di queste nanoparticelle di semiconduttori in tempo reale. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Chimica dei materiali . Lo studio aiuta a comprendere meglio l'autoassemblaggio delle nanoparticelle, che possono portare a strutture significativamente differenti.

Tra l'altro, nanoparticelle di solfuro di piombo sono utilizzate nelle celle fotovoltaiche, diodi emettitori di luce e altri dispositivi elettronici. Nello studio, il team ha studiato il modo in cui le particelle si auto-organizzano per formare un film altamente ordinato. Lo hanno fatto mettendo una goccia di liquido (25 milionesimi di litro) contenente le nanoparticelle all'interno di una piccola cella e lasciando evaporare lentamente il solvente nel corso di due ore. Gli scienziati hanno quindi utilizzato un raggio di raggi X sulla linea di luce P10 per osservare in tempo reale quale struttura si sono formate le particelle durante l'assemblaggio.

Con loro sorpresa, la struttura adottata dalle particelle è cambiata più volte durante il processo. "Prima vediamo le nanoparticelle che formano una simmetria esagonale, che porta ad un solido di nanoparticelle avente una struttura reticolare esagonale, " Lokteva riferisce. "Ma poi il superreticolo cambia improvvisamente, e mostra una simmetria cubica. Mentre continua ad asciugarsi, la struttura fa altre due transizioni, diventando un superreticolo con simmetria tetragonale e infine uno con una diversa simmetria cubica." Questa sequenza non è mai stata rivelata prima in modo così dettagliato.

Il team suggerisce che la struttura esagonale (esagonale compatto, HCP) persiste finché la superficie delle particelle è gonfiata dal solvente. Una volta che il film si asciuga un po', la sua struttura interna cambia in una simmetria cubica (cubica a corpo centrato, BCC). Però, residui del solvente rimangono ancora tra le singole nanoparticelle all'interno del film. Mentre questo evapora, la struttura cambia altre due volte (BCT tetragonale a corpo centrato e FCC cubico a facce centrate).

La struttura finale del film dipende da una serie di fattori diversi, come spiega Lokteva. Includono il tipo di solvente e la velocità con cui evapora, dimensione e concentrazione delle nanoparticelle, ma anche la natura dei cosiddetti ligandi che circondano le particelle e la loro densità. Gli scienziati usano il termine ligando per descrivere alcune molecole che si legano alla superficie delle nanoparticelle e ne impediscono l'agglomerazione. Nello studio, il team ha utilizzato l'acido oleico per questo scopo; le sue molecole ricoprono le particelle, proprio come la cera che impedisce agli orsetti gommosi di attaccarsi l'un l'altro in un sacchetto. Questo è un processo ben consolidato nella nanotecnologia.

"La nostra ricerca indica che la struttura finale del superreticolo dipende anche dal fatto che le singole nanoparticelle siano circondate da molte o poche molecole di acido oleico, " riferisce Lokteva. "In uno studio precedente, abbiamo ottenuto film con una struttura cristallina BCC/BCT quando la densità del ligando era alta. Qui, abbiamo esaminato specificamente le nanoparticelle con una bassa densità di ligandi, e questo ha portato a una struttura FCC. Quindi, quando si usano le nanoparticelle, la densità del ligando dovrebbe essere determinata, che non è una pratica standard al momento, " spiega lo scienziato DESY.

Queste osservazioni sono importanti anche quando si tratta di altri materiali, sottolinea la squadra. "Il solfuro di piombo è un interessante sistema modello che ci aiuta a comprendere meglio i meccanismi generali con cui le nanoparticelle si autoassemblano, " Spiega Lokteva. "La natura può fornire alle nanostrutture varie proprietà interessanti attraverso il fenomeno dell'autoassemblaggio, e ora abbiamo gli strumenti per guardare oltre le spalle della natura mentre costruisce queste strutture".