Teambilleder små quasicrystals, som de dannes

Da den israelske forsker Daniel Shechtman første gang så en kvasikrystal gennem sit mikroskop i 1982, tænkte han efter sigende, "Eyn chaya kazo" - Hebræsk til, "Der kan ikke være sådan et væsen."

Men der er, og quasicrystal er blevet genstand for meget forskning i de 35 år siden Shechtmans Nobelprisvindende opdagelse. Hvad gør kvasikrystaller så interessante? Deres usædvanlige struktur:Atomer i kvasikrystaller er arrangeret på en ordnet, men ikke -periodisk måde, i modsætning til de fleste krystaller, der består af en tredimensionel, ordnet og periodisk (gentagende) arrangement af atomer.

Uli Wiesners laboratorium, Spencer T. Olin professor i teknik ved Institut for Materialevidenskab og Teknik (MSE) ved Cornell University, har sluttet sig til forskere, der forfølger dette relativt nye studieområde. Og ligesom Shechtman, der opdagede kvasikrystaller, mens han studerede diffraktionsmønstre af aluminium-mangankrystaller, Wiesner stødte på tilfældigt lidt på kvasikrystaller.

Mens han arbejdede med silica-nanopartikler-hvorfra Wiesner-laboratoriets patenterede Cornell-prikker (eller C-prikker) er fremstillet-faldt en af ​​hans elever over en usædvanlig ikke-periodisk, men ordnet silica-struktur, styret af kemisk induceret selvsamling af grupper af molekyler, eller miceller.

"For første gang, vi ser denne [kvasikrystal] struktur i nanopartikler, som aldrig var set før så vidt vi ved, sagde Wiesner, hvis forskerhold fortsatte med at udføre hundredvis af eksperimenter for at fange dannelsen af ​​disse strukturer på tidlige stadier af deres udvikling.

Deres arbejde resulterede i et papir, "Dannelsesveje for mesoporøse silica -nanopartikler med dodekagonal fliser, "udgivet 15. august i Naturkommunikation . Hovedforfattere er tidligere MSE -doktorand Yao Sun, nuværende postdoc Kai Ma og doktorand Teresa Kao. Andre bidragydere omfattede Lena Kourkoutis, adjunkt i anvendt og teknisk fysik; Veit Elser, professor i fysik; og kandidatstuderende Katherine Spoth, Hiroaki Sai og Duhan Zhang.

For at studere udviklingen af ​​kvasikrystaller af silica -nanopartikler, den bedste løsning ville være at tage video af vækstprocessen, men det var ikke muligt, Sagde Wiesner.

"Strukturerne er så små, du kan kun se dem gennem et elektronmikroskop, "sagde han." Silica nedbrydes under elektronstrålen, så det er ikke muligt at se på en partikel over en længere periode. "

Løsningen? Udfør mange forsøg, standsning af kvasikrystallernes vækstproces på forskellige punkter, billeddannelse med transmissionselektronmikroskopi (TEM), og sammenligning af resultater med computersimuleringer, ledet af Kao. Denne billeddannelse, udført af Sun og Ma, gav teamet et slags time-lapse-kig på kvasikrystalvækstprocessen, som de kunne kontrollere på et par forskellige måder.

En måde var at variere koncentrationen af ​​den kemiske forbindelse mesitylene, også kendt som TMB, en pore ekspander. Billeddannelsen, herunder cryo-TEM udført af Spoth, viste, at da TMB -koncentrationen steg, miceller blev større og mere heterogene. Tilføjelse af TMB inducerede fire mesoporøse nanopartikelstrukturændringer, starter som en sekskantet og afvikles som en dodekagonal (12-sidet) kvasikrystal.

"Jo mere TMB vi tilføjer, jo bredere porestørrelsesfordelingen, "Wiesner sagde, "og det forstyrrer krystaldannelsen og fører til kvasikrystaller."

Den anden måde at få disse strukturer til at udvikle sig er mekanisk. Startende med en sekskantet krystalstruktur, teamet fandt ud af, at ved blot at røre løsningen mere og mere kraftigt, de indførte en forstyrrelse, der også ændrede fordelingen af ​​micellestørrelse og udløste de samme strukturelle ændringer "helt til kvasikrystal, "Sagde Wiesner.

Meget af opdagelsen i dette værk var "serendipitet, "Wiesner sagde, resultatet af "hundredvis og hundredvis" af vækstforsøg udført af eleverne.

Jo mere indsigt man fik i den tidlige dannelse af disse unikke partikler, jo bedre er hans forståelse af silica nanopartikler, som er kernen i hans gruppes arbejde med Cornell -prikker.

"Efterhånden som teknikkerne bliver bedre, evnen til at se små strukturer og bedre forstå deres samlingsmekanismer forbedres, "sagde han." Og hvad der end hjælper os med at forstå disse tidlige dannelsestrin, vil hjælpe os med at designe bedre materialer i sidste ende. "