Nanocząstki dojrzewają w roztworze z rekordową precyzją

Podręcznikowy proces zwany „dojrzewaniem Ostwalda”, nazwany na cześć zdobywcy Nagrody Nobla, chemika Wilhelma Ostwalda, przez dziesięciolecia kierował projektowaniem nowych materiałów, takich jak nanocząsteczki. Są to małe przedmioty, które wydają się zbyt małe, aby można je było zobaczyć gołym okiem.

Zgodnie z tą teorią małe cząstki rozpuszczają się, a następnie ponownie osadzają na powierzchni dużych cząstek, a duże cząstki rosną, aż wszystkie małe cząstki się rozpuszczą.

Ale obecnie nowy materiał wideo nagrany przez Laboratorium w Berkeley Naukowcy ujawniają, że wzrost nanocząstek był ukierunkowany nie na różnice w wielkości, ale na defekty.

Naukowcy niedawno poinformowali o swoich odkryciach w: Komunikacja przyrodnicza czasopismo.

To ogromny nauczyciel. Przerabiamy podręcznikową chemię, co jest bardzo ekscytujące.

Haimei Zheng, pierwszy autor opracowania i adiunkt, Materials Science and Engineering, University of California, Berkeley

Cheng jest również starszym naukowcem na Wydziale Nauki o Materiałach w Berkeley Lab.

Na potrzeby badań naukowcy zawiesili roztwór nanocząstek siarczku kadmu (CdS) z chlorowodorem (HCl) i chlorkiem kadmu (CdCl).₂) w specjalnym uchwycie na próbki cieczy.

Naukowcy znaleźli rozwiązanie, używając wiązki elektronów do generowania Cd-CdCl₂ Nanocząstki typu rdzeń-powłoka (CSNP) – które wyglądały jak płaski sześciokątny dysk, w którym chlorek kadmu tworzy powłokę, a atomy kadmu rozwijają rdzeń.

Za pomocą nowej metody znanej jako mikroskopia elektronowa przenoszenia komórek o wysokiej rozdzielczości (LC-TEM) w Molecular Foundry, naukowcy nagrali filmy Cd-CdCl z Cd-CdCl w czasie rzeczywistym i w skali atomowej₂ CSNP dojrzewają w roztworze.

W jednym eksperymencie klip wideo LC-TEM pokazuje mały dysk Cd-CdCl.₂ Miesza nanocząstki typu rdzeń-powłoka z objętościowym Cd-CdCl₂ CSNP do opracowania większych Cd-CdCl₂ CSNP. Jednak trend wzrostowy był początkowo kierowany nie przez wariancję wielkości, ale przez większy uskok skorupy CSNP.

Wynik był nieoczekiwany, ale jesteśmy bardzo zadowoleni z efektów.

Qiubo Zhang, starszy autor badań i badacz z tytułem doktora, Wydział Inżynierii Materiałowej, Uniwersytet Kalifornijski, Berkeley

Naukowcy twierdzą, że ich praca to wideo LC-TEM o najwyższej rozdzielczości, jakie kiedykolwiek nagrano. Postęp – śledzenie dojrzewania nanocząstek w roztworze w czasie rzeczywistym – jest możliwy dzięki wykonanemu na zamówienie ultracienkiemu „ogniwo ciekłemu”, które utrzymuje niewielką ilość cieczy między dwiema membranami węglowymi na siatce miedzianej.

Naukowcy obserwowali próbkę cieczy za pomocą ThemIS, molekularnego mikroskopu elektronowego specyficznego dla odlewni, który ma zdolność rejestrowania zmian w skali atomowej w cieczach z prędkością od 40 do 400 klatek na sekundę. Wysoka próżnia w mikroskopie pomaga utrzymać próbkę płynu w nienaruszonym stanie.

Nasze badanie wypełnia lukę transformacji nanomateriałów, której nie można przewidzieć za pomocą konwencjonalnej teorii. Mam nadzieję, że nasza praca zainspiruje innych do wymyślenia nowych zasad projektowania funkcjonalnych nanomateriałów do nowych zastosowań.

Haimei Zheng, pierwszy autor opracowania i adiunkt, Materials Science and Engineering, University of California, Berkeley

Zheng był pionierem LC-TEM w Berkeley Lab w 2009 roku i jest również wiodącym ekspertem w tej dziedzinie.

Numer czasopisma:

Chang, S.; i inni. (2022) Dojrzewanie nanostruktur rdzenia i powłoki zależne od defektów. Połączenia z naturą. doi.org/10.1038/s41467-022-29847-8.

źródło: https://www.lbl.gov/