硫化鉛納米粒子所采用的結構在它們組裝形成有序的超晶格時經常發生令人驚訝的變化。在德國電子同步加速器中心（DESY）的X射線源PETRA III 上進行的一項實驗研究揭示了這一點。由格哈德·格魯貝爾 (Gerhard Grübel) 領導的相干 X 射線散射小組的 DESY 科學家 Irina Lokteva 和 Felix Lehmkühler 領導的團隊實時觀察了這些半導體納米粒子的自組織。結果已發表在《材料化學》雜志上。該研究有助于更好地了解納米粒子的自組裝，這可能導致顯著不同的結構。
除其他外，硫化鉛納米顆粒用于光伏電池、發光二極管和其他電子設備。在這項研究中，該團隊研究了粒子自組織形成高度有序薄膜的方式。為此，他們將一滴含有納米顆粒的液體(百萬分之 25 升)放入一個小細胞內，讓溶劑在兩個小時內緩慢蒸發。然后，科學家們在 P10 光束線上使用 X 射線束實時觀察粒子在組裝過程中形成的結構。
令他們驚訝的是，粒子所采用的結構在此過程中發生了多次變化。“首先，我們看到納米顆粒形成六邊形對稱，這導致納米顆粒固體具有六邊形晶格結構，”Lokteva 報告說。“但隨后超晶格突然發生變化，并顯示出三次對稱性。隨著它繼續干燥，該結構又發生了兩次轉變，成為具有四方對稱性的超晶格，最后成為具有不同三次對稱性的超晶格。” 這個序列以前從未被如此詳細地揭示過。
該團隊建議，只要顆粒表面被溶劑溶脹，六邊形結構(六邊形密堆積，HCP)就會持續存在。一旦薄膜干燥一點，其內部結構就會變為立方對稱(體心立方，BCC)。然而，溶劑的殘留物仍然保留在薄膜內的單個納米顆粒之間。隨著它的蒸發，結構又發生了兩次變化(體心四方 BCT 和面心立方 FCC)。
正如 Lokteva 解釋的那樣，電影的最終結構取決于許多不同的因素。它們包括溶劑的類型及其蒸發速度、納米顆粒的大小和濃度，以及圍繞顆粒的所謂配體的性質及其密度。科學家使用術語配體來描述與納米顆粒表面結合并防止它們聚集的某些分子。在研究中，團隊為此使用了油酸;它的分子覆蓋了顆粒，就像蠟一樣，可以防止小熊粘在袋子里。這是納米技術中一個成熟的過程。
“我們的研究表明，超晶格的最終結構還取決于單個納米顆粒是被許多還是少數油酸分子包圍，”Lokteva 報告說。“在早期的一項研究中，當配體密度高時，我們獲得了具有 BCC/BCT 晶體結構的薄膜。在這里，我們專門研究了配體密度低的納米顆粒，這導致了 FCC結構。因此，當使用納米顆粒時，應該確定配體密度，這目前不是標準做法，”DESY 科學家解釋說。
該團隊指出，當涉及到其他材料時，這些觀察結果也很重要。“硫化鉛是一個有趣的模型系統，可以幫助我們更好地理解納米粒子自組裝的一般機制，”Lokteva 解釋說。“大自然可以通過自組裝現象提供具有各種有趣特性的納米結構，我們現在擁有在構建這些結構時俯瞰大自然的工具。”
