Исследователи из Мичиганского государственного университета научились «рисовать» кристаллы по требованию
Учёные из Мичиганского государственного университета обнаружили способ «рисовать» кристаллы, используемые во многих важнейших технологиях, от солнечных батарей и светодиодного освещения до медицинской визуализации.
Их прорыв, опубликованный в журнале ACS Nano, был достигнут путём воздействия на золотые наночастицы одиночным лазерным импульсом.
«Мы только начинаем понимать, что возможно. Это открывает новую главу в том, как мы проектируем и изучаем материалы», — сказал Элад Харел, доцент кафедры химии и старший автор исследования.
Посмотрите вокруг, и вы увидите мир, который работает на кристаллах. От дымовых извещателей и телевизионных экранов до ультразвука и гидролокатора — уникальные оптические и электрические свойства этих химических структур ставят их в авангарде большинства инноваций.
Вырастить кристаллы непросто. «При использовании традиционных методов выращивания кристаллы могут образовываться в произвольное время и в произвольных местах, поэтому результаты не всегда могут быть одинаковыми», — сказал Харел.
Поскольку технологии и материалы быстро совершенствуются, они полагаются на размещение кристаллов исключительного качества в нужном месте. Отсутствие контроля является серьёзным препятствием для исследователей.
Чтобы решить эту проблему, Харел обратился к специализации своей лаборатории — лазерам, в частности, к быстрым лазерам.
В Мичиганском государственном университете Харел использует короткие лазерные импульсы, чтобы пролить свет на тайны мира природы. Это включает в себя недавний прорыв, в котором использовались сверхбыстрые лазеры для «прослушивания биологии».
В новой публикации исследователи попробовали свои силы в выращивании кристаллов, называемых галогенидами свинца перовскитов. Эти кристаллы имеют решающее значение для светодиодов, солнечных элементов и медицинской визуализации.
Вместо того чтобы проходить через типичные сложные этапы роста кристаллов или даже использовать небольшой «зародышевый» кристалл для запуска процесса, команда Харела направила свои лазеры на крошечную сверкающую цель: золотые наночастицы, ширина которых меньше одной тысячной ширины человеческого волоса.
Учёные обнаружили, что эти частицы генерируют тепло в месте попадания лазерного света, и это взаимодействие приводит к кристаллизации. Используя специальные высокоскоростные микроскопы, они даже смогли наблюдать за процессом в реальном времени.
Подобно лазеру, используемому для гравировки произведений искусства на металле или дереве, этот метод создания кристаллов предлагает исследователям возможность «рисовать» кристаллы с уровнем контроля, который может преобразовать такие области, как чистая энергетика и квантовые технологии.
«С помощью этого метода мы можем, по сути, выращивать кристаллы в точных местах и в точное время», — сказал доктор Мд Шахджахан, научный сотрудник Мичиганского государственного университета и первый автор статьи. «Это всё равно, что сидеть в первом ряду и наблюдать первые моменты жизни кристалла под микроскопом. Только здесь мы также можем управлять его развитием».
Теперь, когда у учёных есть возможность «рисовать» кристаллы с помощью лазеров, следующим шагом является создание более крупных и сложных узоров, а также проверка того, как эти кристаллы работают в реальных устройствах, — сказал Харел.