Neues Videomaterial, das von Wissenschaftlern des Berkeley Lab aufgenommen wurde, zeigt zum ersten Mal, dass das Wachstum von Nanopartikeln nicht durch Größenunterschiede, sondern durch Defekte gesteuert wird. (Quelle: Haimei Zheng/Berkeley Lab. Mit freundlicher Genehmigung von Nature Communications.)
Jahrzehntelang hat ein Lehrbuchverfahren, das als „Ostwald-Reifung“ bekannt ist und nach dem mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Chemiker Wilhelm Ostwald benannt ist, das Design neuer Materialien geleitet, darunter Nanopartikel – winzige Materialien, die so klein sind, dass sie mit bloßem Auge unsichtbar sind.
Gemäß dieser Theorie lösen sich die kleinen Partikel auf und setzen sich wieder an der Oberfläche der großen Partikel ab, und die großen Partikel wachsen weiter, bis sich alle kleinen Partikel aufgelöst haben.
Aber jetzt zeigt neues Videomaterial, das von Wissenschaftlern des Berkeley Lab aufgenommen wurde, dass das Wachstum von Nanopartikeln nicht durch Größenunterschiede, sondern durch Defekte gesteuert wird.
Über ihre Ergebnisse berichteten die Wissenschaftler kürzlich im Fachblatt „Nature Communications“.
„Das ist ein riesiger Meilenstein. Wir schreiben ein Chemie-Lehrbuch neu, und das ist sehr aufregend“, sagte Seniorautor Haimei Zheng, Seniorwissenschaftler in der Abteilung für Materialwissenschaften des Berkeley Lab und außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften und -technik an der UC Berkeley.
Für die Studie suspendierten die Forscher eine Lösung von Cadmiumsulfid (CdS)-Nanopartikeln mit Cadmiumchlorid (CdCl2) und Chlorwasserstoff (HCl) in einem speziellen Flüssigkeitsprobenbehälter. Forscher belichten Lösungen mit Elektronenstrahlen, um Cd-CdCl herzustellen2 Core-Shell-Nanopartikel (CSNPs) – die wie flache sechseckige Scheiben aussehen – in denen Cadmiumatome den Kern und Cadmiumchlorid die Hülle bilden.
Unter Verwendung einer Technik namens hochauflösende Flüssigzellen-Transmissionselektronenmikroskopie (LC-TEM) in der Molecular Foundry nahmen die Forscher ein Echtzeit-LC-TEM-Video von Cd-CdCl im atomaren Maßstab auf2 CSNP reift in Lösung.
In einem Schlüsselexperiment zeigt das LC-TEM-Video Cd-CdCl. klein2 Einbau von Kern-Schale-Nanopartikeln mit Cd-CdCl. groß2 CSNP, um Cd-CdCl zu bilden. der größere2 CSNP. Die Wachstumsrichtung wurde jedoch nicht durch Größenunterschiede bestimmt, sondern durch Rissdefekte in der ursprünglich größeren CSNP-Schale. „Dieser Befund war sehr unerwartet, aber wir sind mit den Ergebnissen sehr zufrieden“, sagte Qiubo Zhang, Erstautor und Postdoktorand in der Abteilung für Materialwissenschaften.
Die Forscher sagen, dass ihre Arbeit das LC-TEM-Video mit der höchsten Auflösung ist, das jemals aufgenommen wurde. Der Fortschritt – Überwachung der Reifung von Nanopartikeln in Lösung in Echtzeit – wird durch eine maßgefertigte ultradünne „Flüssigkeitszelle“ ermöglicht, die eine kleine Flüssigkeitsmenge zwischen zwei Kohlenstofffilmmembranen auf einem Kupfergitter sichert. Die Forscher betrachteten die flüssigen Proben durch ThemIS, ein spezielles Elektronenmikroskop in der Molecular Foundry, das in der Lage ist, Änderungen in Flüssigkeiten auf atomarer Ebene mit Geschwindigkeiten von 40-400 Bildern pro Sekunde aufzuzeichnen. Die Hochvakuumumgebung des Mikroskops hält die flüssige Probe intakt.
„Unsere Studie schließt eine Lücke für Nanomaterialumwandlungen, die die traditionelle Theorie nicht vorhersagen kann.“ sagte Zheng, der 2009 im Berkeley Lab Pionierarbeit bei LC-TEM geleistet hat und ein führender Experte auf diesem Gebiet ist. „Ich hoffe, dass unsere Arbeit andere dazu inspiriert, über neue Regeln für das Design funktioneller Nanomaterialien für neue Anwendungen nachzudenken.“