La estructura adoptada por las nanopartículas de sulfuro de plomo cambia sorprendentemente a menudo a medida que se ensamblan para formar superredes ordenadas. Esto lo revela un estudio experimental que se ha realizado en la fuente de rayos X PETRA III de DESY. Un equipo dirigido por los científicos de DESY Irina Lokteva y Felix Lehmkühler, del grupo de dispersión coherente de rayos X encabezado por Gerhard Grübel, ha observado la autoorganización de estas nanopartículas semiconductoras en tiempo real. Los resultados se han publicado en la revista Química de Materiales . El estudio ayuda a comprender mejor el autoensamblaje de nanopartículas, lo que puede dar lugar a estructuras significativamente diferentes.

Entre otras cosas, nanopartículas de sulfuro de plomo se utilizan en células fotovoltaicas, diodos emisores de luz y otros dispositivos electrónicos. En el estudio, El equipo investigó la forma en que las partículas se autoorganizan para formar una película muy ordenada. Lo hicieron colocando una gota de líquido (25 millonésimas de litro) que contenía las nanopartículas dentro de una celda pequeña y permitiendo que el solvente se evaporara lentamente en el transcurso de dos horas. Luego, los científicos utilizaron un haz de rayos X en la línea de luz P10 para observar en tiempo real qué estructura se formaron las partículas durante el ensamblaje.

Para su sorpresa, la estructura adoptada por las partículas cambió varias veces durante el proceso. "Primero vemos que las nanopartículas forman una simetría hexagonal, que conduce a un sólido de nanopartículas que tiene una estructura de celosía hexagonal, "Lokteva informa." Pero luego la superrejilla cambia repentinamente, y muestra una simetría cúbica. Mientras continúa secándose, la estructura hace dos transiciones más, convirtiéndose en una superrejilla con simetría tetragonal y finalmente en una con una simetría cúbica diferente ”. Esta secuencia nunca antes se había revelado con tanto detalle.

El equipo sugiere que la estructura hexagonal (hexagonal compacta, HCP) persiste mientras la superficie de las partículas esté hinchada por el disolvente. Una vez que la película se seque un poco, su estructura interna cambia a una simetría cúbica (cúbica centrada en el cuerpo, BCC). Sin embargo, Aún quedan residuos del solvente entre las nanopartículas individuales dentro de la película. A medida que esto se evapora, la estructura cambia dos veces más (BCT tetragonal centrada en el cuerpo y FCC cúbica centrada en la cara).

La estructura final de la película depende de varios factores diferentes, como explica Lokteva. Incluyen el tipo de disolvente y la rapidez con que se evapora, tamaño y concentración de las nanopartículas, pero también la naturaleza de los llamados ligandos que rodean las partículas y su densidad. Los científicos usan el término ligando para describir ciertas moléculas que se unen a la superficie de las nanopartículas y evitan que se aglomeren. En el estudio, el equipo utilizó ácido oleico para este propósito; sus moléculas cubren las partículas, muy parecido a la cera que evita que los ositos de goma se peguen entre sí en una bolsa. Este es un proceso bien establecido en nanotecnología.

"Nuestra investigación indica que la estructura final de la superrejilla también depende de si las nanopartículas individuales están rodeadas por muchas o pocas moléculas de ácido oleico". "informa Lokteva". En un estudio anterior, obtuvimos películas con estructura cristalina BCC / BCT cuando la densidad del ligando era alta. Aquí, analizamos específicamente las nanopartículas con una baja densidad de ligandos, y esto condujo a una estructura FCC. Entonces, al usar nanopartículas, debe determinarse la densidad del ligando, que no es una práctica estándar en este momento, "explica el científico DESY.

Estas observaciones también son importantes cuando se trata de otros materiales, señala el equipo. "El sulfuro de plomo es un sistema modelo interesante que nos ayuda a comprender mejor los mecanismos generales por los que las nanopartículas se autoensamblan, "Explica Lokteva." La naturaleza puede proporcionar nanoestructuras con varias propiedades interesantes a través del fenómeno del autoensamblaje, y ahora tenemos las herramientas para mirar por encima del hombro de la naturaleza mientras construye estas estructuras ".