Die von den Bleisulfid-Nanopartikeln angenommene Struktur ändert sich häufig abrupt, wenn sie zu geordneten Übergittern aggregieren. Das ergab eine Pilotstudie an der DESY-Röntgenquelle PETRA III. Ein Team um die Wissenschaftler Irina Lokteva und Felix Lemkoller DESY von der Coherent X-ray Scattering Group unter der Leitung von Gerhard Grobel beobachtete die Selbstorganisation dieser halbleitenden Nanopartikel in Echtzeit. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Materialchemie. Die Studie hilft, die Selbstorganisation von Nanopartikeln besser zu verstehen, die zu dramatisch unterschiedlichen Zusammensetzungen führen könnte.
Bleisulfid-Nanopartikel werden unter anderem in Photovoltaik, LEDs und anderen elektronischen Geräten verwendet. In der Studie untersuchte das Team, wie sich Partikel selbst organisieren, um einen hochgeordneten Film zu bilden. Dazu gaben sie einen Tropfen Flüssigkeit (25 Teile pro Million Liter), der die Nanopartikel enthielt, in eine kleine Zelle und ließ das Lösungsmittel über zwei Stunden langsam verdunsten. Die Wissenschaftler nutzten dann einen Röntgenstrahl in der P10-Beamline, um in Echtzeit die Struktur zu beobachten, die die Partikel beim Zusammenbau bildeten.
Zu ihrer Überraschung änderte sich die von den Partikeln angenommene Struktur während des Prozesses mehrmals. „Zuerst sehen wir, dass die Nanopartikel eine hexagonale Symmetrie bilden, was zu festen Nanopartikeln mit einer hexagonalen Gitterstruktur führt“, sagt Lokteva. „Aber dann ändert sich das Übergitter plötzlich und zeigt kubische Symmetrie. Während es weiter austrocknet, führt die Struktur zwei weitere Transformationen durch, wird zu einem Übergitter mit viereckiger Symmetrie und schließlich zu einem mit anderer kubischer Symmetrie.“ Diese Sequenz wurde bisher nicht so detailliert offenbart.
Das Team schlägt vor, dass die hexagonale Struktur (hexagonal dicht gepackt, HCP) so lange bestehen bleibt, wie die Partikeloberfläche durch das Lösungsmittel aufgequollen wird. Sobald der Film leicht trocknet, ändert sich seine innere Struktur in kubische (Body-Centered Cube, BCC) Symmetrie. Zwischen den einzelnen Nanopartikeln innerhalb des Films verblieben jedoch noch Lösungsmittelreste. Während dieses verdampft, ändert sich die Struktur noch zweimal (ein viereckiges raumzentriertes BCT und ein kubisch flächenzentriertes FCC).
Die endgültige Struktur des Films hängt von verschiedenen Faktoren ab, erklärt Lokteva. Dazu gehören die Art des Lösungsmittels und wie schnell es verdunstet, die Größe und Konzentration der Nanopartikel sowie die Art und Dichte der sogenannten Bindungen, die die Partikel umgeben. Wissenschaftler verwenden den Begriff Ligand, um bestimmte Moleküle zu beschreiben, die sich an die Oberfläche der Nanopartikel anlagern und deren Verklumpung verhindern. In der Studie verwendete das Team zu diesem Zweck Ölsäure; Seine Partikel überziehen die Partikel wie Wachs, das verhindert, dass Gummibärchen in einem Sack zusammenkleben. Dies ist ein etabliertes Verfahren in der Nanotechnologie.
„Unsere Forschung zeigt, dass die endgültige Struktur des Übergitters auch davon abhängt, ob einzelne Nanopartikel von vielen oder wenigen Ölsäuremolekülen umgeben sind“, berichtet Lokteva. „In einer früheren Studie haben wir Filme mit BCC/BCT-Kristallstruktur erhalten, wenn die Bindungsdichte hoch war. Hier haben wir uns speziell Nanopartikel mit niedriger Bindungsdichte angesehen, und dies führte zu der FCC-Struktur. Bei der Verwendung von Nanopartikeln war die Bindungsdichte ermittelt werden muss, und das ist derzeit nicht gängige Praxis“, erklärt DESY-Wissenschaftler.
Das Team stellt fest, dass diese Beobachtungen auch für andere Materialien wichtig sind. „Bleisulfid ist ein interessantes Modellsystem, das uns hilft, die allgemeinen Mechanismen der Selbstorganisation von Nanopartikeln besser zu verstehen“, erklärt Loctiva. „Die Natur kann Nanostrukturen durch das Phänomen der Selbstorganisation mit interessanten vielfältigen Eigenschaften versehen, und wir haben jetzt die Werkzeuge, um der Natur beim Aufbau dieser Strukturen über die Schulter zu schauen.“
DESY ist eines der weltweit führenden Zentren für Teilchenbeschleuniger und erforscht die Struktur und Funktion der Materie – von der Wechselwirkung winziger Elementarteilchen über das Verhalten neuer Nanomaterialien und lebenswichtiger Biomoleküle bis hin zu den großen Geheimnissen des Universums. Teilchenbeschleuniger und Detektoren, die DESY an den Standorten Hamburg und Zeuthen entwickelt und baut, sind einzigartige Forschungswerkzeuge. Sie erzeugen die intensivsten Röntgenstrahlen der Welt, beschleunigen Teilchen, um Energien aufzuzeichnen und neue Fenster zum Universum zu öffnen. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, Deutschlands größter wissenschaftlicher Gesellschaft, und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) (90 Prozent) sowie den Bundesländern Hamburg und Brandenburg (10 Prozent) gefördert.
Quelle der Geschichte:
Materialien Einführung von Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY. Hinweis: Der Inhalt kann je nach Stil und Länge geändert werden.
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