Per la prima volta, scienziati e ingegneri hanno osservato in tempo reale come due tipi di nanoparticelle realizzate con materiali diversi si combinano per formare nuovi materiali compositi. I risultati, riportati da un team guidato dall’Università della Pennsylvania e dall’Università del Michigan, potrebbero aiutare gli ingegneri ad avere un maggiore controllo sull’assemblaggio di materiali che combinano le proprietà desiderabili di ciascuna particella, come la fotoluminescenza, il magnetismo e la capacità di condurre elettricità.
"Stiamo progettando nuovi materiali che combinano diversi tipi di funzioni in modi che non sono possibili con i materiali che abbiamo oggi", ha affermato Sharon Glotzer, presidente del dipartimento di ingegneria chimica di Anthony C. Lembke presso l'Università del Michigan e co-autore corrispondente. dello studio pubblicato su Nature Synthesis .
Le strutture composite sono un tipo di superreticolo binario di nanocristalli e potrebbero essere utilizzate per dispositivi elettronici, dispositivi ottici e per la produzione e lo stoccaggio di energia.
"La combinazione di nanoparticelle fotoluminescenti e magnetiche, ad esempio, potrebbe consentire di cambiare il colore di un laser utilizzando un campo magnetico", ha affermato Emanuele Marino, co-primo autore dell'articolo ed ex ricercatore post-dottorato presso l'Università della Pennsylvania. /P>
Gli ingegneri in genere creano superreticoli binari di nanocristalli mescolando blocchi di nanoparticelle in una soluzione e lasciando asciugare una goccia della soluzione. Man mano che la gocciolina si restringe, le particelle si combinano nelle sovrastrutture desiderate. Gli ingegneri hanno poi colpito i cristalli con i raggi X per vedere le strutture nanocristalline risultanti. Ciascuna struttura cristallina diffonde i raggi X secondo uno schema unico, che funge da impronta digitale per identificare i cristalli.
Vedere come questi cristalli si assemblano in tempo reale è stata una sfida scientifica perché si formano troppo velocemente per la maggior parte delle tecniche di diffusione dei raggi X. Senza vedere i passaggi che portano alla struttura finale, gli scienziati devono indovinare come le loro miscele di nanocristalli portino alle sovrastrutture.
"Capire come questi materiali reagiscono tra loro ci consentirà di costruire una biblioteca più completa delle strutture che possono formare quando si combinano", ha affermato Christopher Murray, professore di chimica della Richard Perry University presso l'Università della Pennsylvania e co-corrispondente. autore dello studio.
Il team ha creato le prime misurazioni di diffusione dei raggi X in tempo reale dei superreticoli rallentando il processo di assemblaggio e utilizzando tecniche di diffusione dei raggi X più veloci con l’aiuto della National Synchrotron Light Source II presso il Brookhaven National Laboratory di Upton, New York.
"L'elevato flusso di raggi X della struttura e la rapida raccolta di dati potrebbero tenere il passo con la velocità con cui si sono formati i cristalli", ha affermato Esther Tsai, scienziata del Brookhaven National Laboratory e coautrice dello studio.
Per rallentare l'assemblaggio del reticolo, i ricercatori hanno mescolato diverse nanoparticelle in un'emulsione oleosa, quasi come un condimento magnetico per l'insalata, quindi hanno messo l'emulsione in acqua. La miscela di nanoparticelle si è ridotta man mano che l'olio si diffondeva nell'acqua, ma molto più lentamente rispetto al metodo convenzionale di essiccazione all'aria.
Dopo una fase iniziale di crescita rapida che dura fino a cinque minuti, i nanocristalli si uniscono espellendo lentamente l'ultimo olio rimanente nell'arco di tre-cinque ore.
Osservare i cristalli nascenti ha permesso al team dell'Università del Michigan di derivare la fisica che spiega come si sono formati i reticoli, modellando il processo con simulazioni al computer.
"Con le informazioni temporali ottenute dagli esperimenti, possiamo costruire un modello predittivo che riproduce non solo la struttura finale, ma l'intero percorso di assemblaggio della struttura", ha affermato Sharon Glotzer, presidente del dipartimento di ingegneria chimica di Anthony C Lembke presso l'Università del Michigan e co-autore. autore corrispondente dello studio.
Il team ha scoperto che l'assemblaggio del superreticolo binario di nanocristalli avviene attraverso attrazioni a corto raggio tra gli elementi costitutivi delle nanoparticelle, indipendentemente dal tipo di nanoparticelle utilizzate, e "ha confermato inoltre che non si è formata alcuna fase intermedia prima del cristallo finale, e che la superficie delle goccioline di emulsione non si è formata non svolgono un ruolo nella formazione del cristallo", ha affermato Allen LaCour, ex studente di dottorato in ingegneria chimica presso l'Università del Michigan e co-primo autore dello studio.
Senza altri fattori esplicativi, le simulazioni hanno concluso che la forza delle interazioni dei nanocristalli è il fattore principale che determina la struttura del superreticolo nelle goccioline che si restringono. La forza di interazione può essere modificata con la dimensione delle particelle e la carica elettrica o aggiungendo determinati elementi alle particelle. I modelli computerizzati del team di messaggistica unificata possono simulare gli impatti di tali cambiamenti.
Ulteriori informazioni: Emanuele Marino et al, Cristallizzazione di superreticoli binari di nanocristalli e rilevanza dell'attrazione a corto raggio, Sintesi della natura (2023). DOI:10.1038/s44160-023-00407-2
Informazioni sul giornale: Sintesi della natura
Fornito dall'Università del Michigan
