Los investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía observaron cómo los cristales semiconductores a nanoescala se expandían y encogían en respuesta a potentes pulsos de luz láser. Esta "respiración" ultrarrápida proporciona una nueva perspectiva sobre cómo estas estructuras diminutas cambian de forma a medida que comienzan a derretirse, información que puede ayudar a guiar a los investigadores a adaptar su uso para una variedad de aplicaciones.

En el experimento que utilizó el láser de rayos X de fuente de luz coherente Linac (LCLS) de SLAC, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, Los investigadores primero expusieron los nanocristales a un estallido de luz láser, seguido de cerca por un pulso de rayos X ultrabrillante que registró los cambios estructurales resultantes en los detalles a escala atómica al inicio de la fusión.

"Esta es la primera vez que pudimos medir los detalles de cómo reaccionan estos materiales ultrapequeños cuando se esfuerzan al máximo, "dijo Aaron Lindenberg, un profesor asistente en SLAC y Stanford que dirigió el experimento. Los resultados fueron publicados el 12 de marzo en Comunicaciones de la naturaleza .

Introducción a los puntos cuánticos

Los cristales estudiados en SLAC se conocen como "puntos cuánticos" porque muestran rasgos únicos a nanoescala que desafían la física clásica que gobierna sus propiedades a escalas más grandes. Los cristales se pueden ajustar cambiando su tamaño y forma para emitir colores específicos de luz, por ejemplo.

Así que los científicos han trabajado para incorporarlos en paneles solares para hacerlos más eficientes y en pantallas de computadora para mejorar la resolución mientras consumen menos energía de la batería. Estos materiales también se han estudiado para su uso potencial en baterías y pilas de combustible y para la administración selectiva de fármacos.

Los científicos también han descubierto que estos y otros nanomateriales, que puede contener solo decenas o cientos de átomos, pueden ser mucho más resistentes a los daños que los trozos más grandes de los mismos materiales porque exhiben una estructura cristalina más perfecta en las escalas más pequeñas. Esta propiedad podría resultar útil en los componentes de la batería, por ejemplo, ya que las partículas más pequeñas pueden resistir más ciclos de carga que las más grandes antes de degradarse.

Una sorpresa en la 'respiración' de diminutas esferas y nanocables

En el experimento LCLS, los investigadores estudiaron esferas y nanocables hechos de sulfuro de cadmio y seleniuro de cadmio que tenían solo 3 a 5 nanómetros, o mil millonésimas de metro, a través de. Los nanocables tenían hasta 25 nanómetros de largo. En comparación, Los aminoácidos, los componentes básicos de las proteínas, tienen aproximadamente 1 nanómetro de longitud, y los átomos individuales se miden en décimas de nanómetros.

Al examinar los nanocristales desde muchos ángulos diferentes con pulsos de rayos X, los investigadores reconstruyeron cómo cambian de forma cuando son golpeados con un pulso de láser óptico. Se sorprendieron al ver que las esferas y los nanocables se expandían en ancho en aproximadamente un 1 por ciento y luego se contraían rápidamente en femtosegundos. o cuadrillonésimas de segundo. También encontraron que los nanocables no se expanden en longitud, y mostró que la forma en que los cristales responden a la tensión se acopla a la forma en que se funde su estructura.

En una anterior, estudio separado, otro equipo de investigadores había utilizado LCLS para explorar la respuesta de partículas de oro más grandes en escalas de tiempo más largas.

"En el futuro, queremos extender estos experimentos a nanoestructuras más complejas y tecnológicamente relevantes, y también para permitir la exploración de rayos X de dispositivos a nanoescala mientras están en funcionamiento, Lindenberg dijo:"Saber cómo cambian los materiales bajo tensión se puede utilizar junto con simulaciones para diseñar nuevos materiales con propiedades novedosas".