Ученые из США смогли приоткрыть завесу, скрывающую «сокрытый мир» молекулярной активности в сложных молекулярных ансамблях.

Нанотехнологии не могут развиваться без детального понимания процессов, происходящих при формировании наноструктур. Обычно, механизмы нанопроизводства ученые используют при создании наноразмерных объектов по заранее спроектированным «чертежам».

Так, исследователям из лабораторий Беркли (Berkeley Lab), в частности, Национального Центра Электронной Микроскопии (National Center for Electron Microscopy – NCEM), удалось зафиксировать в реальном времени процесс роста коллоидального платинового нанокристалла в растворе. При этом в видеозаписи задействовано одновременно большое количество молекул.

Рис. 1. Нанокристаллы платины, формирующие коллоидный кристалл

Как говорит директор лаборатории Пол Аливисатос (Paul Alivisatos) и его коллега Ульрих Дамен (Ulrich Dahmen), многие представления ученых о росте и формировании кристаллов были неполными, а кое-где – вовсе ошибочными. Благодаря полученному видео ученые восполнят существенные пробелы в кристаллографии.

Это достижение было бы невозможным без современных средств трансмиссионной электронной микроскопии, работающей с субнанометровым разрешением. В растворе удалось наблюдать формирование коллоидного платинового нанокристалла. При этом, оказалось, что кристаллы сначала формировались по «классической схеме» – из молекул образовывалось ядро, «обрастающее» в дальнейшем молекулами из раствора, а затем происходили интересные вещи – несколько небольших уже сформированных нанокристаллов аггрегатировались в большее образование.

Этот процесс ученые назвали ростом, связанным с «коалесцентными событиями», т.е. событиями слияния ряда мелких кристаллов в один большой. Несмотря на разные траектории роста нанокристаллов, в итоге получалось монодисперсное образование, что значит, что в «коалесцентном слиянии» участвуют примерно одинаковые по размерам и форме нанокристаллы.

«Мы наблюдали коалесцентные события и ранее, при росте монодисперсных коллоидных кристаллов, например, – говорит один из исследователей, химик Хаймей Жень (Haimei Zheng). – Но в нашем последнем исследовании стало ясно, что коалесцентные события происходят на самых ранних стадиях формирования монодисперсного кристалла ».

О своих достижениях ученые сообщили в статье журнала Science: «Observation of Single Colloidal Platinum Nanocrystal Growth Trajectories.» Co-authoring this paper with Zheng, Alivisatos and Dahmen were Rachel Smith, Young-wook Jun and Christian Kisielowski.

Не секрет, что понимание механизмов роста нанокристаллов востребовано среди химиков и инженеров, работающих в области солнечной энергетики, топливных элементов, нанокатализа, фотоники, электроники и медицины. Например, для производства наносенсоров нужно заставить кристалл расти только так, как рассчитают ученые, а не иначе.

Естественно, сделать это, не зная, как именно формируется в растворе кристалл, невозможно. В прошлые два десятилетия полупроводниковая индустрия двигалась семимильными шагами, однако ее основа – синтез кристаллов сперва достигалась методом проб и ошибок. И если для современного сосотояния полупроводниковой индустрии это допустимо, то для ее дальнейшего развития нужны более «чистые» и дешевые кристаллы.

Поэтому работа Пола Аливисатоса и его коллег чрезвычайно важна не только для физики твердого тела и кристаллографии, но и для инженеров, разрабатывающих коммерческие продукты.

Экспериментальная установка ученых работает на базе JEOL 3010 In-Situ ТЭМ микроскопа. Благодаря высокой энергии луча (около 300 киловольт) микроскоп позволяет работать с пространственным разрешением около 8 ангстрем, что позволяет исследовать поведение наночастиц в тонком жидкостном контейнере. Это лучший инструмент лаборатории для фиксирования динамических событий с таким разрешением.

Рис. 2. Эти ТЭМ изображения позволяют видеть рост нанокристаллов при а) присоединении мономеров b) коалесцентных событиях

Жидкостный контейнер для наблюдений сделан из пары кремниевых подложек размерами 100 нанометров с окном-мембраной из нитрида кремния толщиной всего 20 нм. Платиновые нанокристаллы тоже подобраны для эксперимента не случайно – они обладают нужным контрастом для визуализации наночастиц в ТЭМ-микроскопии. При этом луч микроскопа JEOL 3010 был и катализатором реакции кристаллизации благодаря удалению катионов платины.

Проанализировав полученное видео, Жень и его коллеги пришли к выводу, что большие кристаллы, сформированные с помощью коалесцентных событий, обладают худшими физическими свойствами из-за хаотичности процесса их формирования.

Так, при точном производстве коллоидных кристаллов, нужно будет добавлять в раствор суфрактанты, задерживающие случайные коалесцентные события.

Ученые уверены, что им предстоит еще много интересных открытий в области нанохимии кристаллов благодаря новому инструменту на базе ТЭМ-микроскопа.

Свидиненко Юрий