El secreto de un truco de magia oculto durante mucho tiempo detrás del autoensamblaje de estructuras de nanocristales está comenzando a revelarse.

La transformación de partículas coloidales simples (pedazos de materia suspendidos en solución) en hermosas mallas de encaje, o superredes, ha desconcertado a los investigadores durante décadas. Bonitas imágenes en sí mismas estas diminutas superredes, también llamados puntos cuánticos, se utilizan para crear pantallas de visualización más vívidas, así como conjuntos de dispositivos sensoriales ópticos. El máximo potencial de los puntos cuánticos para convertir cualquier superficie en una pantalla inteligente o en bisagras de fuente de energía, en parte, sobre la comprensión de cómo se forman.

Mediante una combinación de técnicas que incluyen la evaporación controlada de solventes y la dispersión de rayos X de sincrotrón, el autoensamblaje en tiempo real de las estructuras de nanocristales se ha vuelto ahora observable in situ. Los hallazgos fueron publicados en la revista. Materiales de la naturaleza en un artículo del profesor asistente William A. Tisdale y el estudiante de posgrado Mark C. Weidman, ambos en el Departamento de Ingeniería Química del MIT, y Detlef-M. Smilgies en la fuente de sincrotrón de alta energía de Cornell (CHESS).

Los investigadores anticipan que sus nuevos hallazgos tendrán implicaciones para la manipulación directa de superredes resultantes, con la posibilidad de fabricación bajo demanda y el potencial de generar principios para la formación de materiales blandos relacionados como proteínas y polímeros.

Disco de Quantum Dot

Tisdale y sus colegas se encuentran entre los muchos grupos que estudian nanocristales semiconductores duros con superficies recubiertas de moléculas orgánicas. Estos materiales electrónicos procesables por soluciones se encuentran ahora en los estantes de las tiendas con una variedad de nombres, incorporado en todo, desde pantallas de iluminación hasta televisores. También se les está mirando por fabricar células solares eficientes y otros dispositivos de conversión de energía debido a su facilidad de fabricación y procesos de fabricación de bajo costo.

La adopción más amplia de estos nanocristales en otras tecnologías de conversión de energía ha sido limitada, en parte, por la falta de conocimiento sobre cómo se autoensamblan, pasando de partículas coloidales (como pequeñas bolas de poliestireno suspendidas en un líquido) a superredes (imagina esas mismas bolas ahora secas, lleno, y alineado).

Técnicas que incluyen microscopía electrónica y dispersión dinámica de luz han descubierto algunos aspectos del estado coloidal inicial y la estructura de superrejilla final. pero no han iluminado la transición entre estos dos estados. De hecho, Este trabajo fundamental se remonta a mediados de la década de 1990 con el grupo de Moungi Bawendi en el MIT.

"En los últimos 10 a 15 años, Se ha avanzado mucho en la creación de estructuras de nanocristales muy hermosas, "Dice Tisdale". Sin embargo, todavía hay mucho debate sobre por qué se ensamblan en cada configuración. ¿Es la entropía del ligando o la faceta de los nanocristales? La profundidad de la información proporcionada al observar el desarrollo de todo el proceso de autoorganización en tiempo real puede ayudar a responder estas preguntas ".

Cámara de los Secretos

Para hacer la película a nanoescala de arriba, El estudiante graduado y coautor de Tisdale, Mark Weidman, aprovechó una cámara experimental desarrollada por Cornell y una configuración de detector dual desarrollada recientemente con dos detectores de área rápida, mientras que las condiciones ambientales cambiaron durante la formación de superredes. Usando nanocristales de sulfuro de plomo, Weidman pudo realizar observaciones simultáneas de dispersión de rayos X de ángulo pequeño (capturando la estructura de la superrejilla) y dispersión de rayos X de ángulo amplio (capturando la orientación a escala atómica y la alineación de partículas individuales) durante la evaporación de un solvente.

"Creemos que este fue el primer experimento que nos permitió ver en tiempo real y en un entorno nativo cómo ocurre el autoensamblaje, "Dice Tisdale." Estos experimentos no hubieran sido posibles sin las capacidades experimentales desarrolladas por Detlef y el equipo de CHESS ".

El uso de nanocristales con un elemento pesado (plomo) y el brillo de la fuente de rayos X del sincrotrón permitieron una recopilación de datos lo suficientemente rápida como para observar el autoensamblaje en tiempo real. resultando en imágenes y películas convincentes del proceso.

Una fina malla

El descubrimiento puede conducir a modelos refinados para el autoensamblaje de una amplia gama de materiales orgánicos blandos. Es más, la capacidad de observar la estructura a medida que evoluciona en tiempo real también es prometedora para intervenir o dirigir el sistema en las configuraciones deseadas, presagiando una futura guía práctica para la creación de superredes.

Tisdale dice que se necesita hacer mucho más trabajo para obtener información sobre por qué los nanocristales se autoensamblan de la manera en que lo hacen. Él y su equipo planean usar su nueva técnica para manipular parámetros como las condiciones del solvente, así como el tamaño y la forma de los nanocristales. y estudiar más de cerca los ligandos en la superficie, ya que parecen ser el motor clave para el autoensamblaje.

"Esperamos que este estudio y esta técnica ayuden a aumentar nuestra comprensión del autoensamblaje coloidal y, a largo plazo, nos permiten dirigir el autoensamblaje a nanoescala hacia una estructura deseada, ", Agrega Weidman.