(PhysOrg.com) -- Des chercheurs du laboratoire national Lawrence Berkeley du DOE ont découvert une technique universelle pour éliminer les nanocristaux de molécules semblables à des attaches qui, jusqu'à présent, constituaient des obstacles à leur intégration dans des appareils. Ces résultats pourraient fournir aux scientifiques une table rase pour développer de nouvelles technologies à base de nanocristaux pour le stockage d'énergie, photovoltaïque, fenêtres intelligentes, les combustibles solaires et les diodes électroluminescentes.

Les nanocristaux sont généralement préparés dans une solution chimique à l'aide de molécules filandreuses appelées ligands chimiquement attachés à leur surface. Ces molécules hydrocarbonées ou organométalliques contribuent à stabiliser le nanocristal, mais aussi former une coque isolante indésirable autour de la structure. L'élimination efficace et propre de ces ligands de surface est un défi et a échappé aux chercheurs pendant des décennies.

Maintenant, en utilisant le sel de Meerwein - un composé organique également connu sous son surnom de triéthyloxonium tétrafluoroborate de torsion de la langue - une équipe de Berkeley Lab a éliminé les ligands organiques attachés aux nanocristaux, exposant une surface nue permettant aux nanocristaux d'être utilisés dans une variété d'applications.

"Notre technique vous permet essentiellement de prendre n'importe quel nanocristal—oxydes métalliques, métallique, semi-conducteurs - et les transformer en dispersions d'encres à nanocristaux sans ligand pour le revêtement par centrifugation ou par pulvérisation et même la création de motifs à l'aide d'une imprimante à jet d'encre, " dit Brett Helms, membre du personnel scientifique de l'installation de synthèse organique et macromoléculaire de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, un centre de recherche en nanosciences. « De plus, ils conservent leur intégrité structurelle et présentent des propriétés de transport plus efficaces dans les appareils.

De nombreux nanocristaux importants pour les dispositifs énergétiques ne peuvent pas résister aux acides forts ou aux agents oxydants généralement utilisés pour éliminer les ligands organiques - ces nanocristaux se dissolvent simplement. Dans cette étude, Helms et ses collègues ont étudié les détails atomistiques de l'interaction entre un nanocristal de séléniure de plomb - un matériau semi-conducteur - et les ligands entourant sa surface. L'équipe a ensuite utilisé des réactifs chimiques à base de sel de Meerwein pour réagir chimiquement avec des nanocristaux afin de rendre ces ligands de coordination incapables de se relier à la surface, créer des nanocristaux « nus » en solution ou en film mince sur un support. Cette technique, Helms dit, s'est avéré extrêmement général.

« Notre équipe a développé une méthode générale d'élimination de ligands sur un nanocristal pour obtenir des surfaces nanocristallines « nues », " dit Evelyn Rosen, un chercheur post-doctoral travaillant avec Helms. "Ces nanocristaux nus peuvent avoir eux-mêmes des propriétés uniques, mais aussi permettre l'ajout de nouveaux ligands à cette surface nue comme souhaité pour certains types de nanocristaux. Plus important encore, cette technique devrait étendre l'utilité des nanocristaux en accordant plus de contrôle sur l'optimisation de leurs propriétés.

Pour démontrer que les nanocristaux ont été véritablement dépouillés de leurs ligands, l'équipe a caractérisé des couches minces de nanocristaux de séléniure de plomb recouverts d'un ligand et nu avec une nouvelle technique appelée spectroscopie infrarouge à l'échelle nanométrique, ou nano-IR. Dans cette technique, la lumière infrarouge absorbée par les films est utilisée pour analyser les excitations de vibrations moléculaires spécifiques, telles que les liaisons carbone-hydrogène formées par les ligands. En utilisant le nano-IR, les chercheurs ont découvert que les nanocristaux étaient uniformément nus sur des distances macroscopiques, conduisant à une augmentation de la conductivité électronique de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux films de nanocristaux non dénudés.

« Cette méthode est applicable de manière véritablement universelle et permet d'utiliser les nanocristaux dans une large gamme d'applications et dans différents environnements, " dit Delia Milliron, Directeur de l'Installation Nanostructures Inorganiques à la Fonderie et co-auteur de cette étude.

En effet, Milliron ajoute, plusieurs utilisateurs de la Fonderie profitent déjà de ces nanocristaux pour des projets sur le stockage d'énergie et les matériaux de supercondensateurs, qui stockent de l'énergie comme des batteries mais peuvent être rechargées plus rapidement.

« Avoir une procédure robuste mais simple pour traiter les nanocristaux « activés » à partir d'une solution sur de grandes surfaces, proportionnée aux exigences d'un processus de fabrication, est une première étape importante vers l'intégration de ces nouveaux matériaux passionnants dans les appareils de prochaine génération liés à l'énergie, », ajoute Helms. « Nous tirons largement parti de ce processus dans nos recherches et encourageons les collaborateurs potentiels à soumettre des propositions d'utilisateurs à la Fonderie Moléculaire, "

Rosen est l'auteur principal et Helms l'auteur correspondant d'un article rapportant cette recherche dans la revue Angewandte Chemie Édition Internationale . L'article s'intitule « Exceptionally mild reactive stripping of native ligands from nanocrystal surfaces using Meerwein’s salt. » Co-auteur de l'article avec Rosen, Helms et Milliron étaient Raffaella Buonsanti, Anna Llordes et April Sawvel.