Las simulaciones por computadora identificaron las condiciones bajo las cuales los cubos a nanoescala se autoensamblarían en una cuadrícula, incorporando formas triangulares planas entre ellos. Esta técnica podría ayudar a habilitar nuevos tipos de materiales con nuevas propiedades. Crédito:Laboratorio Glotzer, Universidad de Michigan
Un equipo de investigadores de la Universidad de Pensilvania y la Universidad de Michigan ha desarrollado un plan para diseñar nuevos materiales utilizando combinaciones difíciles de nanocristales.
El trabajo podría conducir a mejoras en los nanocristales que ya se utilizan en pantallas, diagnóstico e imágenes médicas, y habilitar nuevos materiales con propiedades previamente imposibles.
Los investigadores pueden crear materiales con propiedades nuevas e interesantes reuniendo nanocristales de diferentes composiciones, tamaños y formas. El desafío es hacerlo de forma organizada. Ahora, El equipo de Penn y U-M ha desarrollado una estrategia que explora las nanopartículas disponibles y descubre cómo unirlas.
"Es uno de esos problemas en los que 'me gusta, me gusta, '", dijo Katherine Elbert, recién graduada de doctorado, quien dirigió este estudio mientras trabajaba en el laboratorio de Chris Murray, un profesor Penn Integrates Knowledge (PIK) en ciencia e ingeniería de materiales.
Esta tendencia significa que los diferentes tipos de nanocristales a menudo se separan, formando manchas desordenadas en lugar de integradas, sólidos ordenados.
"Aquí, estamos tratando de superar esa barrera y hacer materiales en los que los nanocristales estén acoplados con precisión a sus vecinos para hibridar sus propiedades, "Dijo Elbert.
Modelado informático por el grupo de Sharon Glotzer, el Profesor Distinguido de Ingeniería de la Universidad John W. Cahn en la U-M, demostró una manera de eludir esta barrera al recubrir las nanopartículas con moléculas que alteran su forma en lo que respecta a las nanopartículas vecinas.
Cubos de telururo de plomo y triángulos de fluoruro de lantano autoensamblados en una cuadrícula en el laboratorio, cuando los investigadores siguieron las condiciones descubiertas a través de las simulaciones por computadora. Esta técnica podría ayudar a habilitar nuevos tipos de materiales con nuevas propiedades. La barra de escala en la imagen del microscopio electrónico es de 100 nanómetros. Crédito:Murray Lab, Universidad de Pennsylvania
"Podemos aprovechar esos cambios sutiles para impulsar el ensamblaje en lugar de la segregación, "dijo Thi Vo, Becario de investigación de la UM en ingeniería química.
Uno de los mayores desafíos en el área de investigación es la gran cantidad y tipos de nanocristales, con bibliotecas masivas de nanocristales con diferentes fórmulas químicas, tamaños y formas.
"Poner cada 'ladrillo' exactamente en el lugar correcto sería insuperable, "Murray dijo." Pero si puedes encontrar las reglas por las cuales la naturaleza quiere ensamblar nanocristales, y sabes optimizar las condiciones y el diseño preciso de bloques, ahora tiene ese plano para hacer diferentes clases de materiales ".
El grupo de Glotzer revisó la biblioteca de partículas que el grupo de Murray podía hacer, modelar interacciones entre pares de nanocristales para ver cómo podrían ensamblarse en diferentes estructuras deseadas. El estudio computacional recomendó tamaños, formas tipos de materiales y entornos químicos para experimentos de seguimiento en el laboratorio.
Los investigadores se centraron en dos clases de nanocristales con composiciones muy diferentes, tamaños y estructuras en este estudio, uno con propiedades ópticas interesantes y el otro con propiedades eléctricas útiles. Generalmente, no les gusta mezclarse. Pero si lo hicieron potencialmente podríamos combinarlos para hacer células solares que puedan convertir la luz infrarroja en electricidad de manera más eficiente, entre otras posibilidades.
Cuando el equipo controló con precisión los tamaños y formas de la superficie de los nanocristales con esas moléculas de recubrimiento, para que las combinaciones correctas de cristales se atraigan entre sí, pudieron crear estructuras integradas. Estos resultados se pueden aplicar a otros tipos de materiales con solo pequeños ajustes.
"Al construir componentes a nanoescala y organizarlos bajo un conjunto universal de condiciones, podemos conseguir materiales con propiedades que no coexisten o son sumamente difíciles de reunir. Ahora, tenemos una estrategia para conseguir que los nanocristales se acoplen y se superpongan, "Dijo Murray.
El papel en Avances de la ciencia se titula "Diseño de ligandos y forma de nanocristales anisotrópicos para el ensamblaje conjunto".
