Per decenni, un processo da manuale noto come "maturazione di Ostwald", dal nome del chimico vincitore del premio Nobel Wilhelm Ostwald, ha guidato la progettazione di nuovi materiali, comprese le nanoparticelle, materiali così piccoli da essere invisibili ad occhio nudo.

Secondo questa teoria, le particelle piccole si dissolvono e si riposizionano sulla superficie delle particelle grandi e le particelle grandi continuano a crescere fino a quando tutte le particelle piccole non si sono dissolte.

Ma ora, nuove riprese video catturate dagli scienziati del Berkeley Lab rivelano che la crescita delle nanoparticelle non è diretta dalla differenza di dimensioni, ma da difetti.

Gli scienziati hanno recentemente riportato le loro scoperte sulla rivista Nature Communications .

"Questa è una pietra miliare enorme. Stiamo riscrivendo la chimica dei libri di testo ed è molto eccitante", ha affermato l'autore senior Haimei Zheng, uno scienziato senior nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e professore a contratto di scienza dei materiali e ingegneria presso l'UC Berkeley.

Per lo studio, i ricercatori hanno sospeso una soluzione di nanoparticelle di solfuro di cadmio (CdS) con cloruro di cadmio (CdCl₂ ) e acido cloridrico (HCl) in un portacampioni liquido personalizzato. I ricercatori hanno esposto la soluzione con un fascio di elettroni per produrre Cd-CdCl₂ nanoparticelle core-shell (CSNP), che sembrano dischi piatti ed esagonali, dove gli atomi di cadmio formano il nucleo e il cloruro di cadmio forma il guscio.

Utilizzando una tecnica chiamata microscopia elettronica a trasmissione a cellule liquide ad alta risoluzione (LC-TEM) presso la Molecular Foundry, i ricercatori hanno catturato video LC-TEM su scala atomica in tempo reale di Cd-CdCl₂ CSNP che maturano in soluzione.

In un esperimento chiave, un video LC-TEM mostra un piccolo Cd-CdCl₂ nanoparticella core-shell che si fonde con un grande Cd-CdCl₂ CSNP per formare un Cd-CdCl₂ più grande CSNP. Tuttavia, la direzione della crescita non è stata guidata da una differenza di dimensioni ma da un difetto di fessurazione nel guscio del CSNP inizialmente più grande. "La scoperta è stata molto inaspettata, ma siamo molto contenti dei risultati", ha affermato Qiubo Zhang, primo autore e ricercatore post-dottorato presso la Divisione di Scienze dei Materiali.

I ricercatori affermano che il loro lavoro è il video LC-TEM con la più alta risoluzione mai registrato. Il progresso, il monitoraggio del modo in cui le nanoparticelle maturano in soluzione in tempo reale, è stato reso possibile da una "cella liquida" ultrasottile su misura che assicura una piccola quantità di liquido tra due membrane a film di carbonio su una griglia di rame. I ricercatori hanno osservato il campione liquido attraverso ThemIS, un microscopio elettronico specializzato presso la Molecular Foundry in grado di registrare cambiamenti su scala atomica nei liquidi a una velocità di 40-400 fotogrammi al secondo. L'ambiente ad alto vuoto del microscopio mantiene intatto il campione liquido.

"Il nostro studio colma il divario per le trasformazioni dei nanomateriali che non possono essere previste dalla teoria tradizionale". Zheng, che ha aperto la strada a LC-TEM al Berkeley Lab nel 2009 ed è uno dei massimi esperti nel campo. "Spero che il nostro lavoro ispiri gli altri a pensare a nuove regole per progettare nanomateriali funzionali per nuove applicazioni". + Esplora ulteriormente

Vivere al limite:come ha preso forma un materiale 2D