В эксперименте с использованием рентгеновского лазера Linac Coherent Light Source (LCLS) компании SLAC, учрежденного Министерством энергетики США, исследователи сначала подвергли нанокристаллы вспышке лазерного света, а затем сверхяркому рентгеновскому импульсу, который зарегистрировал результирующий структурные изменения в деталях атомного масштаба в начале плавления.«Это первый раз, когда мы можем измерить детали того, как эти сверхмалые материалы реагируют на предельное напряжение», — сказал Аарон Линденберг, доцент SLAC и Стэнфорда, руководивший экспериментом. Результаты были опубликованы 12 марта в Nature Communications.Знакомство с квантовыми точками
Кристаллы, изучаемые в SLAC, известны как «квантовые точки», потому что они демонстрируют уникальные черты в наномасштабе, которые бросают вызов классической физике, определяющей их свойства в более крупных масштабах. Кристаллы можно настроить, изменив их размер и форму, например, чтобы излучать свет определенных цветов.
Поэтому ученые работали над тем, чтобы включить их в солнечные панели, чтобы сделать их более эффективными, и в компьютерные дисплеи, чтобы улучшить разрешение при меньшем потреблении энергии батареи. Эти материалы также были изучены на предмет потенциального использования в батареях и топливных элементах, а также для адресной доставки лекарств.Ученые также обнаружили, что эти и другие наноматериалы, которые могут содержать всего десятки или сотни атомов, могут быть гораздо более устойчивыми к повреждениям, чем более крупные кусочки тех же материалов, потому что они демонстрируют более совершенную кристаллическую структуру в мельчайших масштабах.
Это свойство может оказаться полезным в компонентах аккумуляторной батареи, например, поскольку более мелкие частицы могут выдерживать больше циклов зарядки, чем более крупные, до того, как они разрушатся.Сюрприз в «дыхании» крошечных сфер и нанопроволокВ эксперименте LCLS исследователи изучали сферы и нанопроволоки из сульфида кадмия и селенида кадмия, которые были всего от 3 до 5 нанометров, или миллиардных долей метра, в поперечнике. Нанопроволоки имели длину до 25 нанометров.
Для сравнения, аминокислоты — строительные блоки белков — имеют длину около 1 нанометра, а отдельные атомы измеряются десятыми долями нанометров.Изучая нанокристаллы под разными углами с помощью рентгеновских импульсов, исследователи реконструировали, как они меняют форму при попадании на них оптического лазерного импульса. Они были удивлены, увидев, что сферы и нанопроволоки расширяются в ширину примерно на 1 процент, а затем быстро сжимаются в течение фемтосекунд, или квадриллионных долей секунды. Они также обнаружили, что нанопроволоки не расширяются в длину, и показали, что то, как кристаллы реагируют на деформацию, связано с тем, как их структура плавится.
В более раннем отдельном исследовании другая группа исследователей использовала LCLS для изучения реакции более крупных частиц золота в более длительных временных масштабах.«В будущем мы хотим расширить эти эксперименты на более сложные и технологически важные наноструктуры, а также сделать возможным рентгеновское исследование наноразмерных устройств во время их работы», — сказал Линденберг. «Знание того, как материалы изменяются под действием деформации, можно использовать вместе с моделированием для разработки новых материалов с новыми свойствами».