Zastąpienie rozpuszczalników organicznych stopioną solą umożliwia naukowcom tworzenie „wcześniej niewyobrażalnych nanokryształów”.
Rodzaj półprzewodnikowych nanokryształów, znanych jako kropki kwantowe, nie tylko poszerza obszar czystej nauki, ale także odgrywa kluczową rolę w zastosowaniach praktycznych, w tym w laserach, kwantowych telewizorach i wyświetlaczach QLED, ogniwach słonecznych, urządzeniach medycznych i innej elektronice.
Nowa technika hodowli tych mikroskopijnych kryształów, opublikowana niedawno w Naukanie tylko znalazł nowy, bardziej efektywny sposób zbudowania użytecznego typu kropki kwantowej, ale także otworzył całą grupę nowatorskich materiałów chemicznych do eksploracji przyszłych badaczy.
„Jestem podekscytowany możliwością zobaczenia, jak badacze na całym świecie mogą wykorzystać tę technikę do przygotowania wcześniej niewyobrażalnych nanokryształów” – powiedział pierwszy autor Justin Ondry, były pracownik naukowy ze stopniem doktora w Talapin Lab w UChicago.
Zespół, w skład którego wchodzili naukowcy z Uniwersytet w ChicagoUniwersytet Kalifornijski w Berkeley, Uniwersytet Północno-ZachodniUniversity of Colorado Boulder i Argonne National Laboratory — osiągnęły te niezwykłe wyniki, zastępując rozpuszczalniki organiczne zwykle używane do tworzenia nanokryształów stopioną solą – dosłownie przegrzanym chlorkiem sodu, takim jak posypywany pieczonymi ziemniakami.
„Chlorek sodu nie jest w twoim umyśle cieczą, ale załóżmy, że podgrzewasz go do tak szalonej temperatury, że staje się cieczą. Wygląda jak płyn. Ma podobną lepkość jak woda. Jest bezbarwny. Jedynym problemem było to, że nikt nigdy nie uważał tych cieczy za media do syntezy koloidalnej” – powiedział prof. Dmitri Talapin ze Szkoły Inżynierii Molekularnej UChicago Pritzker (UChicago PME) i Wydziału Chemii.
Dlaczego sól?
Kropki kwantowe należą do bardziej znanych nanokryształów, nie tylko ze względu na ich szerokie zastosowania komercyjne, ale także w niedawnych Nagroda Nobla 2023 w dziedzinie chemii przekazane zespołowi, który je odkrył.
„Jeśli istnieje materiał ze świata nano, który wywarł wpływ na społeczeństwo pod względem zastosowań, to jest to kropka kwantowa” – powiedział profesor Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, Eran Rabani, współautor artykułu.
Jednak większość poprzednich badań nad kropkami kwantowymi, w tym praca Nobla, dotyczyła kropek wyhodowanych przy użyciu kombinacji pierwiastków z drugiej i szóstej grupy układu okresowego, powiedział Rabani. Nazywa się je materiałami „II-VI” (dwa-sześć).
Bardziej obiecujące materiały na kropki kwantowe można znaleźć w innym miejscu układu okresowego.
Materiały z trzeciej i piątej grupy układu okresowego (materiały III-V) wykorzystywane są w najwydajniejszych ogniwach słonecznych, najjaśniejszych diodach LED, najpotężniejszych laserach półprzewodnikowych i najszybszych urządzeniach elektronicznych. Potencjalnie można by z nich stworzyć wspaniałe kropki kwantowe, ale poza nielicznymi wyjątkami niemożliwe było wykorzystanie ich do hodowli nanokryształów w roztworze. Temperatury wymagane do wytworzenia tych materiałów były zbyt wysokie dla jakiegokolwiek znanego rozpuszczalnika organicznego.
Stopiona sól radzi sobie z ciepłem, dzięki czemu te wcześniej niedostępne materiały stają się dostępne.
„Ten wyraźny postęp w syntezie stopionej soli, dzięki któremu grupa prof. Talapina była po raz pierwszy pionierem wielu materiałów, dla których wcześniej synteza koloidalna była po prostu niedostępna”, powiedział współautor Richard D. Schaller, który współpracował z Argonne National Laboratory i Uniwersytet Północno-Zachodni. „Dzięki wielu z tych nowo dostępnych materiałów można teraz dokonać fundamentalnych i praktycznych postępów, a jednocześnie społeczność udostępnia zupełnie nową syntetyczną granicę”.
Wiek kwantowy
Jednym z powodów, dla których badacze syntetyzujący nanokryształy pominęli stopioną sól, była jej silna polarność, powiedział doktorant UChicago, Zirui Zhou, drugi autor nowego artykułu.
Dodatnio i ujemnie naładowane jony soli silnie przyciągają się do siebie. Małe rzeczy, takie jak nanokryształy, mają małe ładunki powierzchniowe, więc badacze założyli, że ładunek będzie zbyt słaby, aby go odepchnąć, gdy wciągają jony soli. Wszelkie rosnące kryształy zostaną zmiażdżone, zanim będą mogły utworzyć stabilny materiał.
Tak przynajmniej sądzili poprzedni badacze.
„To zaskakująca obserwacja” – powiedział Zhou. „Jest to bardzo sprzeczne z tym, co naukowcy tradycyjnie myślą o tych systemach”.
Nowa technika może oznaczać nowe elementy składowe lepszych, szybszych komputerów kwantowych i klasycznych, ale dla wielu członków zespołu badawczego naprawdę ekscytującą częścią jest udostępnienie nowych materiałów do badań.
„Wiele epok w historii ludzkości definiuje się na podstawie dostępnych materiałów — pomyślmy o „epoce brązu” lub „epoce żelaza” – powiedział Ondry. „W ramach tej pracy odblokowaliśmy możliwość syntezy prawie tuzina nowych kompozycji nanokryształów, które umożliwią rozwój przyszłych technologii”.
Odniesienie: „Ścieżki redukcyjne w stopionych solach nieorganicznych umożliwiają koloidalną syntezę nanokryształów półprzewodników III-V” Justin C. Ondry, Zirui Zhou, Kailai Lin, Aritrajit Gupta, Jun Hyuk Chang, Haoqi Wu, Ahhyun Jeong, Benjamin F. Hammel, Di Wang, H. Christopher Fry, Sadegh Yazdi, Gordana Dukovic, Richard D. Schaller, Eran Rabani i Dmitri V. Talapin, 24 października 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.ado7088
