芝加哥大學化學家的一項新突破有望被用來產生未來的設備，如下一代顯示器和太陽能電池。自20世紀50年代以來，技術構件已經變得越來越小了。但是，為了創造未來幾代的電子產品–如更強大的手機，更高效的太陽能電池，甚至是量子計算機–科學家們將需要在最微小的尺度上提出全新的技術。

一個感興趣的領域是納米晶體。這些微小的晶體可以將自己組裝成許多配置，但是科學家們一直難以弄清楚如何使它們相互“交談”。

一項新研究介紹了使納米晶體在電子方面共同運作的一個突破。這項研究於3月24日發表在《科學》雜誌上，可能為未來具有新能力的設備打開大門。

論文的通訊作者、芝加哥大學教授德Dmitri Talapin說：“我們稱這些為超級原子構件，因為它們可以賦予新的能力–例如，讓相機看到紅外線範圍。但是直到現在，要把它們組裝成結構並讓它們相互’交談’是非常困難的。現在，我們第一次不必再做選擇。這是一個變革性的改進。”

化學博士生、該研究的第一作者之一Josh Portner說，在他們的論文中，科學家們提出了設計規則，這應該允許創造許多不同類型的材料。

一個微小的問題

科學家們可以從許多不同的材料中生長出納米晶體：金屬、半導體和磁體將各自產生不同的特性。但問題是，每當他們試圖將這些納米晶體組裝成陣列時，新的超級晶體會在周圍長出長長的“毛髮”。

這些“毛髮”使得電子很難從一個納米晶體跳到另一個。電子是電子通信的信使；它們輕鬆移動的能力是任何電子設備的一個關鍵部分。

研究人員需要一種方法來減少每個納米晶體周圍的“毛髮”，這樣他們就可以把它們包得更緊，並減少中間的空隙。芝加哥大學化學和分子工程系歐內斯特-德威特-伯頓傑出服務教授、阿貢國家實驗室高級科學家Talapin說：“當這些空隙只有原來的三分之一時，電子跳過的概率就會高出10億倍左右。它隨距離的變化非常強烈。”

為了剃掉這些“毛髮”，他們試圖了解在原子水平上發生了什麼。為此，他們需要阿貢的納米材料中心和SLAC國家加速器實驗室的斯坦福同步輻射光源的強大X射線的幫助，以及強大的模擬和化學和物理學的模型。所有這些使他們能夠了解在表面發生了什麼，並找到利用其生產的關鍵。

生長超級晶體的部分過程是在溶液中完成的，也就是說，在液體中。事實證明，隨著晶體的生長，它們經歷了一個不尋常的轉變，其中氣態、液態和固態相全部共存。通過精確控制該階段的化學反應，他們可以創造出具有更硬、更細的外表的晶體，這些晶體可以更緊密地擠在一起。Portner說：“了解它們的相行為對我們來說是一個巨大的飛躍。”

完整的應用範圍仍不清楚，但科學家們可以想到該技術可能導致的多個領域。Talapin說：“例如，也許每個晶體可以成為量子計算機中的一個量子比特；將量子比特耦合成陣列是目前量子技術的基本挑戰之一。”

Portner還對探索超級晶體生長過程中看到的不尋常的中間物質狀態感興趣。“像這樣的三相共存是非常罕見的，以至於思考如何利用這種化學特性並構建新材料是非常有趣的。”

這項研究包括來自芝加哥大學、德累斯頓工業大學、西北大學、亞利桑那州立大學、SLAC、勞倫斯伯克利國家實驗室和加利福尼亞大學伯克利分校的科學家。

該研究部分是在美國能源部的能源-水系統先進材料中心、中西部計算材料綜合中心、阿貢的納米材料中心和SLAC國家加速器實驗室的斯坦福同步輻射光源進行。