Pamja e parë në kohë reale e nanogrimcave që vetë-montohen në kristale

Për herë të parë ndonjëherë, studiuesit kanë parë procesin magjepsës të nanogrimcave që vetë-montohen në materiale të ngurta. Në videot e reja mahnitëse, grimcat bien shi, bien përgjatë shkallëve dhe rrëshqasin përpara përpara se më në fund të futen në vend për të formuar shtresat e grumbulluara me nënshkrimin e një kristali.

Udhëhequr nga Universiteti Northwestern dhe Universiteti i Illinois, Urbana-Champaign, ekipi hulumtues thotë se këto njohuri të reja mund të përdoren për të dizajnuar materiale të reja, duke përfshirë filma të hollë për aplikime elektronike.

Hulumtimi do të publikohet më 30 mars në revistën Nature Nanotechnology.

I përshkruar nga studiuesit si një “turn de force eksperimentale”, studimi përdori një formë të sapo optimizuar të mikroskopit elektronik të transmetimit të fazës së lëngshme (TEM) për të fituar njohuri të paprecedentë në procesin e vetë-montimit. Përpara kësaj pune, studiuesit kanë përdorur mikroskopin për të parë koloidet me madhësi mikron – të cilat janë 10 deri në 100 herë më të mëdha se nanogrimcat – që vetë-montohen në kristale. Ata gjithashtu kanë përdorur kristalografinë me rreze X ose mikroskopin elektronik për të vizualizuar shtresa të vetme atomesh në një rrjetë kristalore. Por ata nuk ishin në gjendje të shikonin atomet individualisht të lëviznin në vend.

“Ne e dimë se atomet përdorin një skemë të ngjashme për t’u bashkuar në kristale, por nuk e kemi parë kurrë procesin aktual të rritjes,” tha Erik Luijten nga Northwestern, i cili drejtoi punën teorike dhe llogaritëse për të shpjeguar vëzhgimet. “Tani ne e shohim atë duke u bashkuar pikërisht para syve tanë. Duke parë nanogrimcat, ne po shikojmë grimcat që janë më të mëdha se atomet, por më të vogla se koloidet. Pra, ne kemi plotësuar të gjithë spektrin e shkallëve të gjatësisë. Po plotësojmë mungon gjatësia.”

“Më parë, ekipi ynë zgjidhi misterin e bërthamimit, domethënë se si formohen embrionet e kristaleve të përbëra nga dhjetëra nanogrimca, të cilat ndjekin një rrugë joklasike në tretësirë,” tha Qian Chen nga Illinois, i cili drejtoi punën eksperimentale. “Me përparimet e fundit në TEM të fazës së lëngshme dhe shkencën e të dhënave, në këtë punë, ne tani jemi në gjendje të kapim dhe gjurmojmë lëvizjet e mijëra nanogrimcave me kalimin e kohës. Këto nanogrimca lëvizin në tretësirë dhe rriten në kristale të morfologjive të ndryshme si torta poliedrike ose e dasmës. .”

Luijten është profesor i shkencës dhe inxhinierisë së materialeve në Shkollën e Inxhinierisë McCormick në Northwestern, ku ai është gjithashtu një dekan i asociuar. Chen është një profesor i asociuar i shkencës dhe inxhinierisë së materialeve në Illinois.

Shumica e njerëzve janë të njohur me kristalet në formën e kripës, sheqerit, flokeve të borës dhe gurëve të çmuar me gaz, si diamantet. Megjithëse kristalizimi është një fenomen i kudondodhur, saktësisht se si formohen kristalet ka mbetur një mister. Blloqet ndërtuese – atomet, molekulat ose jonet – që përbëjnë materialet kristalore janë shumë të renditura, duke formuar rrjeta blloqesh ndërtimi të barabarta. Këto grila më pas grumbullohen njëra mbi tjetrën për të formuar një material të fortë tredimensional.

“Rrëmbimi i atomeve në rregullime të rregullta është arsyeja që kristalet kanë faqe të lëmuara dhe të sheshta,” tha Luijten. “Kjo është arsyeja pse ata thyhen përgjatë skajeve të drejta.”

Deri më tani, studiuesit kanë studiuar kristalizimin duke ekzaminuar grimcat shumë më të mëdha të quajtura koloid. Por shikimi i koloideve të vetë-rregulluara në kristale nuk dha njohuri se si sillen atomet. Ndërsa kristalet kanë sipërfaqe të sheshta, uniforme, strukturat kristalore të bëra nga koloidet me madhësi mikron priren të adoptojnë sipërfaqe jo uniforme dhe të përafërta.

“Kolloidet janë shumë më të mëdhenj se atomet saqë është e dyshimtë që ata ndjekin të njëjtat hapa kur kristalizohen,” tha Luijten. “Pra, ata nuk na mësojnë se çfarë bëjnë atomet. Analogjia e koloideve me atomet nuk qëndron vërtet.”

Për të mbledhur njohuri më të thella në procesin e kristalizimit, Luijten, Chen dhe ekipet e tyre u kthyen në nanogrimca. Përparimet e fundit për të përmirësuar TEM në fazën e lëngshme kanë bërë të mundur shikimin e nanogrimcave në kohë reale ndërsa ato formojnë materiale të ngurta. Ekipi i Chen kaloi vite duke optimizuar procesin për të siguruar që rrezja elektronike të mund t’i shikonte grimcat pa i dëmtuar ato. Në studimin e ri, studiuesit përdorën nanogrimca me forma të ndryshme – kube, sfera dhe kube të prera – për të eksploruar se si forma ndikon në sjellje.

Studiuesit fillimisht vizualizuan formimin e kristalit me simulime kompjuterike të avancuara, të cilat u kryen nga studentët e diplomuar në Veriperëndim, Ziwei Wang dhe Garrett Watson, si dhe studentja postdoktorale Tine Curk. Më pas ata kryen eksperimente me TEM të fazës së lëngshme për të parë nanogrimcat të vetë-montohen në kohë reale. Në eksperimentet, studiuesit vunë re se grimcat u përplasën me njëra-tjetrën, duke u ngjitur së bashku për të formuar shtresa. Më pas, për të formuar strukturën kristalore shtresë pas shtrese, grimcat fillimisht formuan një shtresë horizontale dhe më pas u vendosën vertikalisht. Ndonjëherë, pasi u ngjitën me njëra-tjetrën, grimcat shkëputeshin shkurt për të rënë në një shtresë më poshtë.

“Ata vrapojnë së bashku dhe më pas hezitojnë në buzë para se të bien,” tha Luijten. “Është si një zhytës që heziton në buzë të një bordi zhytjeje. Nuk mund ta besoj se mund ta shohim këtë. Nuk e kemi parë kurrë më parë procesin aktual të rritjes – vetëm rezultatin.”

Luijten tha se ky informacion do t’i ndihmojë inxhinierët të hartojnë materiale të reja. Vështrimi në mënyrë specifike mund të ndihmojë në hartimin e materialeve me shtresë të hollë, të cilat shpesh përdoren për të ndërtuar elektronikë fleksibël, dioda që lëshojnë dritë, transistorë dhe qeliza diellore.

“Të dish se si bashkohen grimcat do të na mundësojë të kontrollojmë formën e një sipërfaqeje”, tha Luijten. “Doni një sipërfaqe të sheshtë apo të ashpër? Ndryshimi i formës së grimcave ose sa shpejt bien grimcat mund të ndikojë në sipërfaqe.”