Dannelse af porøse krystaller observeret for første gang

Forskere ved University of Bristol har, for første gang, observerede dannelsen af ​​en krystalgel med opløsning på partikelniveau, giver dem mulighed for at studere de betingelser, som disse nye materialer dannes under.

Undersøgelsen viste, at mekanismen for krystalvækst følger de samme strategier, som iskrystaller vokser i skyer, en analogi, der kunne forbedre vores forståelse af disse grundlæggende processer

Ud over, denne nye mekanisme tillod forskergruppen spontant at danne svampelignende nanoporøse krystaller i en kontinuerlig proces.

Nanoporøse krystaller af metaller og halvledere kan opnås uden omsætning, som kan være vigtig for katalytisk, optisk, fornemmelse, og filtreringsapplikationer.

Værket er et samarbejde mellem University of Tokyo (hvor eksperimenterne blev udført), Bristol og Institute Lumiere Matiere i Lyon, Frankrig.

Resultaterne offentliggøres i dag i tidsskriftet, Naturmaterialer .

Dr. John Russo, fra University of Bristol's School of Mathematics og medforfatter af forskningsartiklen, sagde:"Især observerede vi nogle nye dannelsesmekanismer.

"Vi opdagede, at for at opnå disse krystalgelstrukturer, den originale gelstruktur skal gennemgå en strukturel reorganisering, hvor bindinger mellem kolloide partikler brydes for at frigive den indre spænding, der blev akkumuleret under gelens hurtige vækst - en proces kaldet stressdreven ældning.

"Efter dette, vi observerede, at måden, hvorpå gelens grene krystalliseres, minder om den proces, hvorved vanddråber krystalliserer i skyer. Vi var derefter i stand til at observere processer, der fremmer krystallisation gennem en mellemliggende gasfase.

"Det er første gang, at disse grundlæggende processer observeres ved en opløsning på partikelniveau, som giver os en hidtil uset indsigt i, hvordan processen foregår. "

Papiret rapporterer om eksperimenter på en fase uden for ligevægten af ​​stof, som opnås ved at blande kolloidale partikler af mikrometerstørrelse, med korte polymerkæder i et godt opløsningsmiddel.

Polymerernes rolle er at fremkalde en effektiv tiltrækning mellem de kolloidale partikler, på grund af en fysisk effekt kaldet udtømning, hvis oprindelse er rent entropisk.

I begyndelsen af ​​forsøget, kolloidale partikler afviser hinanden på grund af elektrostatisk frastødning. For at fremkalde udtømningsattraktionen mellem kolloider, prøven sættes i kontakt med en saltopløsning gennem en halvgennemtrængelig membran.

Når saltet diffunderer gennem den halvgennemtrængelige membran, det screener den elektrostatiske frastødning mellem de kolloidale partikler, som derefter begynder at aggregeres.

Hele aggregeringsprocessen observeres med et konfokalt mikroskop, som tager hurtige scanninger af prøven i forskellige højder, så forskerne kan rekonstruere koordinaterne for de kolloidale partikler med billedanalyse, og undersøg, hvordan disse partikler bevæger sig i løbet af flere timer.

Hvis polymerkoncentrationen er høj, systemet vil danne en gel - en uordnet tilstand, hvor kolloidale partikler aggregerer for at danne sammenkoblede grene, der spænder over hele systemet, og som giver strukturen stivhed.

Dr. Russo tilføjede:"Hvad vi har demonstreret, i stedet, er, at hvis vi indstiller polymerkoncentrationen til den rigtige værdi (ved siden af ​​det, der kaldes et kritisk punkt), systemet vil ikke danne en anden type gel, hvor de kolloidale partikler krystalliserer gennem gelstrukturen, giver oprindelse til et porøst materiale lavet af krystallinske grene. "