(Phys.org) —Beaucoup trop petit pour voir, nanocristaux - de minuscules cristaux d'au moins 1, 000 fois plus petit que le diamètre d'un cheveu humain - présentent des propriétés sans précédent qui intriguent les scientifiques et les ingénieurs. Pour appliquer ces matériaux dans les nanotechnologies émergentes, les scientifiques doivent mieux comprendre leur structure, leurs fonctions correspondantes et comment ils s'assemblent.

Une collaboration entre Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) et les scientifiques des matériaux a permis de mieux comprendre à quoi ressemblent des nanocristaux particuliers et comment ils s'assemblent lorsqu'ils forment des structures plus grandes appelées supercristaux. Ces connaissances pourraient conduire à une ingénierie ascendante efficace de nouveaux matériaux pour des applications allant des cellules solaires aux composants électroniques. L'ouvrage a été publié par Journal de l'American Chemical Society .

La collaboration a utilisé des méthodes innovantes de cristallographie aux rayons X sur la ligne de lumière B1 CHESS dirigée par le scientifique de CHESS, Zhongwu Wang. Il impliquait la collecte simultanée de données sur l'ordre et l'orientation des nanocristaux et des supercristaux de sulfure de plomb en utilisant à la fois la diffusion des rayons X aux grands angles (WAXS) et aux petits angles (SAXS), qui se font généralement un à la fois.

La diffusion des rayons X aux grands angles est utilisée pour une caractérisation à relativement petite échelle, révélant des informations sur la façon dont les plans atomiques au sein des nanocristaux individuels sont orientés. La diffusion aux petits angles va encore plus loin en fournissant des données sur la façon dont les nanocristaux, environ 100 atomes de diamètre, sont disposés les uns par rapport aux autres, quand ils se réunissent en un supercristal.

Wang et ses collaborateurs ont travaillé avec Tobias Hanrath, professeur agrégé de génie chimique et biomoléculaire, qui étudie le sulfure de plomb et autres nanocristaux pour les matériaux photovoltaïques, préparer les échantillons et mener les expériences.

La nouvelle méthode combinée de CHESS a permis de mieux comprendre la complexité inattendue de l'arrangement des nanocristaux dans le supercristal. La découverte pourrait éclairer de nouvelles méthodes de croissance des supercristaux et comment optimiser leurs propriétés.

« Vous pouvez considérer une nanoparticule individuelle comme un atome de conception, " a déclaré Hanrath. "Nous voulons comprendre comment vous pouvez prendre les particules et les assembler dans différentes configurations dans lesquelles les particules peuvent interagir de manière ciblée et programmable. Et nous devons utiliser des outils comme CHESS pour examiner les structures réelles, qui sont bien plus complexes que lorsque vous les traitez simplement comme de petites sphères."

Wang a déclaré que les techniques de rayons X WAXS/SAXS les aideraient, ainsi que d'autres scientifiques, à comprendre comment les nanocristaux changent, et comment ils interagissent avec différents solvants et dans différents environnements. Lui et d'autres collaborateurs prévoient d'étudier des assemblages de nanocristaux de plus en plus complexes.

"Nous combinerons des techniques spectroscopiques in-situ avec nos techniques de rayons X pour construire une série de relations structure-propriétés de nanocristaux confinés de différentes tailles, formes et compositions, " a dit Wang.