For første gang, forskere måler kræfter, der justerer krystaller og hjælper dem med at snappe sammen

Som om to magneter blev trukket mod hinanden, små krystaller snor sig, justere og smække ind i hinanden, men på grund af en helt anden kraft. For første gang, forskere har målt den kraft, der trækker dem sammen og visualiseret, hvordan de drejer og flugter.

Kaldes van der Waals styrker, attraktionen giver indsigt i, hvordan krystaller samler sig selv, en aktivitet, der forekommer i en lang række tilfælde i naturen, fra sten til skaller til knogler.

"Det er provokerende i den forstand, at man fra denne slags målinger kan bygge en model for 3D-samling, med partikler, der fastgøres til hinanden på udvalgte måder som legoklodser, "sagde kemiker Kevin Rosso fra Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory." Krystaller er mest overalt i naturen, og dette arbejde vil hjælpe os med at udnytte disse kræfter, når vi designer nye materialer. "

Fusionskraft

Krystaller danner understøttende strukturer i en række forskellige naturlige og syntetiske materialer. Større krystaller kan bygge op fra mindre. Selvom det generelt er formet som terninger, krystaller har flere forskellige sider, nogle af dem matcher godt med hinanden og andre, der ikke gør det. Når matchende sider er rettet korrekt, krystaller kan smelte problemfrit, vokser sig større og større.

Men hvad der får krystaller til at komme tæt nok på at smelte sammen i første omgang, og kan de selvjustere? Mange typer kræfter er blevet antydet gennem årene, men værktøjerne til at indsnævre de korrekte har ikke eksisteret.

Nu, Rosso og teams på PNNL, EMSL, Environmental Molecular Sciences Laboratory, en DOE Office of Science User Facility på PNNL, og University of Pittsburgh udviklede en ny tilgang ved at kombinere et miljøtransmissionselektronmikroskop, kaldet et ETEM, med nanokrystal kraftprober, der gør det muligt for forskere at se krystaller interagere i en livlignende situation. PNNL post-doktor kemiker Xin Zhang og EMSL bruger Yang He, en ph.d. studerende fra University of Pittsburgh, brugte ressourcer inden for EMSL til at undersøge, hvordan titanoxidkrystaller kobler sig sammen.

For at forstå deres eksperiment, forestil dig at holde to magneter og flytte dem mod hinanden. Når de er så tæt på, at den attraktive kraft overvinder den indsats, du bruger for at holde dem adskilt, de hopper sammen. PNNL -teamet gjorde dette, men i en meget mindre skala og med en kraft, der ikke er magnetisme.

Et lille spring

Teamet skulle bruge meget små krystaller, der ikke ville overvælde de svage kræfter, de forventede at se. De fastgjorde titanoxidkrystaller hundrede til tusinde gange tyndere end et menneskehår (afhængigt af håret) til hver side af et instrument, der måler kraft. Holdet flyttede derefter krystallerne mod hinanden, snoet i flere forskellige vinkler mellem dem, indtil de to knækkede sammen.

Holdet trak også krystallerne fra hinanden og målte, hvor meget kraft det også tog. Disse målinger gjorde det muligt for forskerne at karakterisere kraften i detaljer. Der er flere forskellige slags kræfter, der arbejder for objekter af denne størrelse, og med yderligere analyser konkluderede teamet kræfter kaldet van der Waals var dem på arbejde, der forårsagede selvjustering.

Og et twist

Ud over, de ville sætte et ansigt på et navn, på en måde at tale på, af en teoretisk forudsigelse af van der Waals styrker foretaget i 1970'erne. Teorien tillod forskere at beregne drejningsmomentet mellem krystaller, der bliver snoet i forhold til hinanden (forestil dig at vride en baguette for at trække et stykke brød af) baseret på vinklen mellem dem.

Så holdet målte også kraften mellem to krystaller holdt på en konstant afstand fra hinanden, men snoet i modsatte retninger fra hinanden. Medforfatter beregningsfysiker Maria Sushko sammenlignede dataene med forudsigelser, teorien lavede og viste, at teorien holdt.

"Dette er det første mål og bevis på, at kraften afhænger af, hvordan krystallerne roteres i forhold til hinanden, det vi kalder rotationsafhængigt, "sagde Rosso." Hvis de er rotationsafhængige, dette indebærer, at denne kraft vil bidrage til at tilpasse frie krystaller, der støder sammen i et flydende miljø, for eksempel, øge frekvensen af ​​vellykket sticking. "

Ud over, beviser forbindelsen betyder, at det bliver lettere at bestemme sådanne attraktionskræfter for krystaller fremstillet af forskellige materialer, såsom calciumcarbonat, der findes i muslingeskaller. Forskere vil være i stand til at bestemme disse kræfter ved at tilslutte tal til en ligning frem for at gentage alle eksperimenterne.

Undersøgelsen er offentliggjort i Videnskab .