Команде ученых из Аргонской национальной лаборатории (АНЛ) Министерства энергетики США и вашингтонского Института Карнеги удалось пронаблюдать за ростом наночастиц в реальном времени.

Принципиально новая технология позволит исследователям получить информацию о ранних этапах формирования наночастиц, которая долгое время оставалась скрытой из-за несовершенных методов исследования. Новые данные помогут улучшить характеристики наноматериалов в таких приложениях, как фотоэлементы, датчики и т.д.

Рост нанокристалла – это основа нанотехнологии, – говорит ведущий научный сотрудник АНЛ Юганг Сан (Yugang Sun). – Понимание этого процесса позволит ученым более точно разрабатывать новые, впечатляющие свойства наночастиц».

Способ, как наночастицы ведут себя и как выглядят, зависит от их архитектуры: размера, формы, текстуры и химии поверхности. А она, в свою очередь, очень сильно зависит от условий, в которых наночастицы формируются.

Управлять наночастицами без ошибок очень трудно, – объясняет Сан. – Еще труднее производить одинаковые наночастицы раз за разом, потому что мы до сих пор не знаем всех необходимых условий. Температура, давление, влажность, загрязненность – все это влияет на рост, и мы продолжаем открывать новые факторы».

Для того, чтобы понять процесс роста наночастиц, ученым необходимо увидеть его в действии. Проблема была в электронной микроскопии – традиционном методе, позволяющем заглянуть на атомарный уровень и требующем вакуум. Но многие виды нанокристаллов могут расти только в жидкой среде, а вакуум в электронном микроскопе делает это невозможным. Особые тонкослойные ячейки позволяют проанализировать минимальный объем жидкости в электронном микроскопе, но этот объем до сих пор ограничивается толщиной жидкостного слоя, который не должен превышать 100 нанометров, что существенно отличается от реальных условий синтеза наночастиц.

Решая эту головоломку, Сан понял, что должен применять очень жёсткое рентгеновское излучение, которое доступно в подразделении «Sector 1» аргонского «Передового источника фотонов» (Advanced Photon Source), который граничит с Центром наноматериалов Аргонской лаборатории. Пример рентгеновских лучей, рассеянных образцом, позволил ученым реконструировать ранние этапы жизни нанокристаллов посекундно.

Эта технология открыла перед нами кладезь информации, особенно это касается образования ядра и стадий роста кристаллов, чего мы никогда не могли добиться раньше», – сказал Сан.

По его словам, интенсивность рентгеновского излучения влияет на рост нанокристаллов, но эффект становится заметным после чрезвычайно продолжительного времени реакции:

Получение ясной картины процесса выращивания позволит нам контролировать образцы для получения лучших результатов, а, в конечном счете, и новых наноматериалов с широким спектром применения».

Наноматериалы могут использоваться в солнечных фотоэлементах, химических и биологических датчиках, а также для визуализации. Например, нанопластины из благородных металлов могут поглощать свет ближней инфракрасной области спектра, поэтому они подойдут для увеличения контрастности изображения. Инъекция специально разработанных наночастиц около места локализации опухоли может увеличить контраст изображения между нормальными и раковыми клетками, благодаря этому врачи смогут создать точную карту опухоли.

Для нас ключевым моментом прорыва стала уникальная возможность работать вместе с учеными из Передового источника фотонов, Центра наноматериалов и Центра электронной микроскопии – всем в одном месте», – сказал Сан.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Yugang Sun, Yang Ren, Dean R. Haeffner, Jonathan D. Almer, Lin Wang, Wenge Yang and Tu T. Truong Nanophase Evolution at Semiconductor/Electrolyte Interface in Situ Probed by Time-Resolved High-Energy Synchrotron X-ray Diffraction. – Nano Lett., 2010, 10 (9), pp 3747–3753, DOI: 10.1021/nl102458k.

По материалам: