芝加哥大学化学家的一项新突破有望被用来产生未来的设备，如下一代显示器和太阳能电池。自20世纪50年代以来，技术构件已经变得越来越小了。但是，为了创造未来几代的电子产品--如更强大的手机，更高效的太阳能电池，甚至是量子计算机--科学家们将需要在最微小的尺度上提出全新的技术。
一个感兴趣的领域是纳米晶体。这些微小的晶体可以将自己组装成许多配置，但是科学家们一直难以弄清楚如何使它们相互“交谈”。
一项新研究介绍了使纳米晶体在电子方面共同运作的一个突破。这项研究于3月24日发表在《科学》杂志上，可能为未来具有新能力的设备打开大门。
论文的通讯作者、芝加哥大学教授德 Dmitri Talapin说：“我们称这些为超级原子构件，因为它们可以赋予新的能力--例如，让相机看到红外线范围。但是直到现在，要把它们组装成结构并让它们相互‘交谈’是非常困难的。现在，我们第一次不必再做选择。这是一个变革性的改进。”
化学博士生、该研究的第一作者之一Josh Portner说，在他们的论文中，科学家们提出了设计规则，这应该允许创造许多不同类型的材料。
一个微小的问题
科学家们可以从许多不同的材料中生长出纳米晶体：金属、半导体和磁体将各自产生不同的特性。但问题是，每当他们试图将这些纳米晶体组装成阵列时，新的超级晶体会在周围长出长长的“毛发”。
这些“毛发”使得电子很难从一个纳米晶体跳到另一个。电子是电子通信的信使；它们轻松移动的能力是任何电子设备的一个关键部分。
研究人员需要一种方法来减少每个纳米晶体周围的“毛发”，这样他们就可以把它们包得更紧，并减少中间的空隙。芝加哥大学化学和分子工程系欧内斯特-德威特-伯顿杰出服务教授、阿贡国家实验室高级科学家 Talapin说：“当这些空隙只有原来的三分之一时，电子跳过的概率就会高出10亿倍左右。它随距离的变化非常强烈。”
为了剃掉这些“毛发”，他们试图了解在原子水平上发生了什么。为此，他们需要阿贡的纳米材料中心和SLAC国家加速器实验室的斯坦福同步辐射光源的强大X射线的帮助，以及强大的模拟和化学和物理学的模型。所有这些使他们能够了解在表面发生了什么，并找到利用其生产的关键。
生长超级晶体的部分过程是在溶液中完成的，也就是说，在液体中。事实证明，随着晶体的生长，它们经历了一个不寻常的转变，其中气态、液态和固态相全部共存。通过精确控制该阶段的化学反应，他们可以创造出具有更硬、更细的外表的晶体，这些晶体可以更紧密地挤在一起。 Portner说：“了解它们的相行为对我们来说是一个巨大的飞跃。”
完整的应用范围仍不清楚，但科学家们可以想到该技术可能导致的多个领域。Talapin说：“例如，也许每个晶体可以成为量子计算机中的一个量子比特；将量子比特耦合成阵列是目前量子技术的基本挑战之一。”
Portner还对探索超级晶体生长过程中看到的不寻常的中间物质状态感兴趣。“像这样的三相共存是非常罕见的，以至于思考如何利用这种化学特性并构建新材料是非常有趣的。”
这项研究包括来自芝加哥大学、德累斯顿工业大学、西北大学、亚利桑那州立大学、SLAC、劳伦斯伯克利国家实验室和加利福尼亚大学伯克利分校的科学家。
该研究部分是在美国能源部的能源-水系统先进材料中心、中西部计算材料综合中心、阿贡的纳米材料中心和SLAC国家加速器实验室的斯坦福同步辐射光源进行。