(a) Ilustración esquemática del experimento de alta presión en una celda de yunque de diamante. Imágenes de microscopía electrónica de barrido de alta resolución de supercristales tridimensionales facetados (b) autoensamblados a partir de nanocristales de PbS esféricos coloidales de 7.0 nm (c) y correspondientes dispersión de rayos X de ángulo pequeño (d) y patrones de difracción de micro rayos X ( mi)
El ordenamiento preciso en superredes bidimensionales (2-D) y tridimensionales (3-D) formadas por el autoensamblaje de nanocristales individuales (NC) permite el control de la magnética, óptico, y acoplamiento electrónico entre los NC individuales. Este control puede conducir a propiedades colectivas útiles como la coherencia vibratoria, Transiciones reversibles de metal a aislante, conductividad mejorada, transporte de electrones dependiente del espín, ferro y ferrimagnetismo mejorado, magnetotransporte sintonizable, y transporte de carga eficiente. Estas propiedades tienen muchas aplicaciones potenciales en células solares, transistores de efecto de campo, dispositivos emisores de luz, fotodetectores, y fotoconductores.
Debido al posicionamiento preciso de los NC dentro de una superrejilla 3-D, estos sistemas se denominan con frecuencia "supercristales" (SC) en analogía con los cristales formados por átomos. Pero a diferencia de los cristales atómicos, Los SC ofrecen la flexibilidad de ajustar la distancia entre partículas debido a la presencia de la capa "blanda" de ligandos orgánicos que pueden usarse para controlar las propiedades colectivas en tales estructuras. La estabilidad estructural y la compresibilidad son características fundamentales de cualquier sistema 3-D.
Un equipo de investigadores del Centro Nacional de Laboratorio de Argonne para Materiales a Nanoescala, la División de Ciencias de Rayos X en Argonne Advanced Photon Source (APS), GeoSoilEnviroCARS de la Universidad de Chicago, que opera el Sector 13 en el APS, y Northwestern University han informado sobre el primer cuasihidrostático combinado, alta presión, estudios de dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS) y micro difracción de rayos X (XRD) en facetas individuales, Supercristales 3-D autoensamblados a partir de nanocristales coloidales de PbS de 7.0 nm. La combinación de las técnicas SAXS y XRD permitió una evaluación precisa del espacio entre partículas durante el ciclo de presión, ya que se tuvo en cuenta el cambio de volumen de los NC individuales. El neón se utilizó como medio transmisor de presión para evitar la posibilidad de lixiviación de ligandos orgánicos de la superficie de los NC y la pérdida de la integridad estructural de los SC debido a la sinterización. Experimentos SAXS de celda de yunque de diamante (DAC) en el rango de presión desde ambiente hasta 12,5 GPa, realizado en la línea de rayos X 12-ID-C de la División de Ciencias de Rayos X en el APS, reveló una estabilidad estructural casi perfecta de los SC, con la organización fcc de las CN. Los experimentos de XRD, que se llevaron a cabo en la línea de rayos X 13-ID-D de GeoSoilEnviroCARS en la APS, demostraron que los NC tienen una fuerte orientación preferencial de los NC individuales en los SC de hasta ~ 55 GPa que se conserva durante los ciclos de presión.
Las propiedades mecánicas de los CN individuales, sus SC, y la matriz de ligandos se analizaron utilizando la ecuación de estados derivada de los datos de compresión producidos por SAXS y XRD. Se calculó que el módulo de volumen de presión ambiental de los SC era ~ 5 GPa durante la compresión y ~ 14,5 GPa durante el ciclo de liberación. respectivamente. Se encontró que los NC experimentan una transición de fase de primer orden por encima de 8 GPa, y la transformación procede a través de un solo evento de nucleación (dentro de un rango de presión de 8.1-9.2 GPa) durante la primera transición, y nucleación heterogénea durante la segunda transformación de la fase intermedia (que aún no se ha identificado) a la estructura de CsCl. Un módulo de volumen para la matriz de ligando de ~ 2.2-2.95 GPa es un orden de magnitud mayor que el observado en el estudio de nanoindentación.
La alta estabilidad estructural de los SC y la capacidad de ajustar el espaciado entre partículas parecen ofrecer la promesa de una mayor manipulación de las propiedades colectivas de los sólidos artificiales autoorganizados, incluidas las estructuras que constaban de NC transformados a altas presiones en una fase diferente. La combinación de XRD y SAXS de alta presión brinda oportunidades únicas para obtener información directa sobre las propiedades mecánicas de los bloques de construcción individuales y sus arquitecturas jerárquicas.
