未来科学时尚设计师纳米晶体

三个芝加哥大学化学教授希望他们独立的研究轨迹将收敛于创建一个新的组装方式他们所谓的“设计原子”与一个广泛的潜在有用的材料属性和功能。

这些“设计原子”将nanocrystals-crystalline数组的原子打算被操控的方式超越标准使用在元素周期表的原子。

这些数组将适合解决挑战太阳能、量子计算和功能材料。

项目的合作伙伴是教授大卫•马齐奥蒂和副教授格雷格·恩格尔和Dmitri Talapin。所有三个取得了重要进展,这个项目前进的关键。

现在,100万美元的资金。w . m .凯克基金会,他们可以建立单独的进步共同走向一个新的目标。

“如果你看看科学的历史,一个主要的发展开始于不同背景的人们交谈,互相学习和做一些真正革命而不是增量,“Talapin说。

Talapin的实验室的发展形式的核心项目。合成无机化学家,他的专长是定义良好的特色创建精确制造的纳米晶体。

纳米晶体由数百或数千个原子。这是足够小,新的量子现象开始出现,但足以提供方便的“模块”的设计新材料。

“这是一个有趣的组合,构建材料不是从单个原子,但从单位,类似于原子在许多方面也像金属、半导体或磁铁。这有点疯狂,”Talapin说。

新安排的潜力可能超过现有的元素。化学家不能优化氢或氦的属性,例如,但他们可以调整纳米晶体的性质。

“你从原子,构建化学和量子力学提供了原则,”马齐奥蒂说,他指的是物理定律,在超小尺度下主宰世界。

马齐奥蒂继续说道,“同样,我们想象的巨大的机会采取纳米晶体阵列和纳米晶体作为新结构的构件组装成强关联系统。”

纳米晶体的构建块
化学键的本质相关性强,,一般的化学,是粒子之间的连接,这些粒子的性质如何改变绑定,恩格尔指出。“关于新兴属性来自强大的粒子的电子态之间的混合,以同样的方式两个原子聚在一起的分子,”他说。

氢和氧气体有非常不同的特性。然而,当两个氢原子与一个氧原子分享电子,形成水。

UChicago三人的野心是扩展这个框架从单个原子的水平的程度小,功能对象,如金属或磁性半导体。

他们的项目的关键是控制之间的相关程度,电子在不同的纳米晶体。2009年,Talapin和他的同事开发了一种方法来控制电子的运动,因为他们从一个纳米晶体。

他们的“电子胶”使半导体纳米晶体可以有效地转移他们的电荷,在新材料的合成的重要一步。

“这胶是由一种特殊调优的电子的行为,”马齐奥蒂说。”你想要的电子的运动相关的一种特殊的方式,使能量从一个纳米晶体的有效转移到另一个。”

实现更大的控制权的相关electrons-those运动都与每个在不同的纳米晶体是凯克项目成功的关键。

“如果我们能增强,然后我们可以开发一个整个面板的新材料,基本上来源于使用纳米晶体作为构建块和强烈相关的调优,从本质上讲,程度或他们如何相互交谈,”马齐奥蒂说。

“我们真的想要一个高效的传输不同单位之间的能量和信息。以前在纳米晶体阵列,纳米晶体只有彼此沟通很弱。”

开发一个新的面板
马齐奥蒂和恩格尔带来理论和光谱,分别合作。马齐奥蒂的发展提供了一个替代传统方法计算电子在分子有着密切的联系,与电子的数量呈指数级增长。

他已经解决了长期存在的问题,使计算仅使用一个分子的两个电子,这极大地降低了计算成本。

研究萤火虫发光等现象表明,分子系统变得越来越大,电子之间的相关性越来越强大和开放新的可能性紧急行为。

上下文中的硅等半导体材料,紧急行为是个体纳米粒子有效地失去了自己的身份,导致集体性质的新材料。

“作为一个分子系统的大小增加,我们看到新出现的物理行为和强烈的电子相关的重要性,”马齐奥蒂说。“强相关性的重要性与系统规模大幅增加。”

恩格尔的预先的研究小组开发了一种叫做GRadient-Assisted光子回波(葡萄)光谱,借磁共振成像的想法,但用于光谱学而不是医学成像。

恩格尔已经使用葡萄观察相关运动和发色团之间的耦合,这是吸光分子。现在,他将此技术应用于纳米晶体。

“第一次,这将让我们真正看到的直接性质的核心的电子耦合的新成键原子概念设计师,”恩格尔说。“我们可以提供实验证据,将把大卫的理论发展与俄罗斯的新建筑是建筑。”