Undersøgelse:Pulserende opløsning fundet i krystaller

Da tyske forskere undersøgte time-lapse-billeder af opløsende krystaller i nanoskalaen, de fandt en overraskelse:Opløsning skete i pulser, præget af bølger, der spredes ligesom krusninger på en dam.

"Det vi ser er bølger eller ringe, "sagde hovedforsker Cornelius Fischer, der udførte denne forskning ved universitetet i Bremen i gruppen af ​​Andreas Lüttge. "Vi har en pit i midten, og så omkring disse gruber er ringe med massefjernelse. "Undersøgelsen er blevet offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences . Fischer og Lüttge har specialiseret sig i at studere mineraler-væske-interaktioner, og har samarbejdet i mere end 15 år i USA og Tyskland.

I hverdagen, opløsning af krystaller er lige så simpelt som at røre sukker i et glas vand. Og som ethvert barn, der har lavet rock candy, ved, processen fungerer også omvendt:Sukkerkrystaller dannes, efterhånden som vand fordamper fra glasset. Lüttge sagde, at forskere længe har vidst, at krystaller dannes gennem en kontinuerlig proces, efterhånden som molekyler deponeres fra opløsning i det normale krystalgitter af det faste stof, de danner.

"Vi har altid troet, at opløsning var en kontinuerlig proces, en slags krystaldannelse omvendt, og vi blev overraskede, da disse forsøg viste, at dette ikke var en kontinuerlig proces, "Sagde Fischer." I stedet for det, vi så, var pulser, der forekom omkring disse gruber. "

Pulserne vises tydeligt i takstkort, stillbilleder i høj opløsning, der fanger den hastighed, hvormed materiale opløses over tid fra overfladen af ​​en krystal. I forsøg på MARUM, Cornelius Fischer modificerede en billeddannelsesteknik kaldet "vertikal scanninginterferometri", som Lüttge var banebrydende ved Rice University (Houston, USA) i begyndelsen af ​​2000'erne for at lave "overfladereaktionskort."

"Kortene viser fordelingen af ​​materialefluxen og illustrerer således overfladereaktiviteten, "sagde Fischer, en tidligere MARUM-postdoktor, der nu er leder af en forskningsgruppe ved det uafhængige tyske forskningslaboratorium Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. "Under den rutinemæssige analyse af hastighedskortdata, vi opdagede eksistensen af ​​et bemærkelsesværdigt mønster af overfladereaktivitet. Dette var udgangspunktet for en systematisk analyse af pulserende hastighedskortfunktioner. "

Ved hjælp af prøver af først zinkoxid og senere calciumcarbonat, Fischer lavede kort, der viste hver dip og stigning på overfladen af ​​krystallen til en opløsning på 1 nanometer, eller 1 milliardedel af en meter. Hver scanning indsamlede mere end 4 millioner målinger fra en overflade, der ikke måler mere end en kvadratcentimeter. Ved at tage efterfølgende snapshots af en krystal overflade, da den opløste, fik de mulighed for at måle den hastighed, hvormed krystallen opløses som en funktion af overfladehøjden.

Forskere har længe forstået betydningen af, at bittesmå overfladedefekter spiller ved krystalopløsning. Miniscule divots kaldet "etch pits" udsætter krystalkanter og øger sandsynligheden for, at et opløsningsmiddel, som vand, reagerer kemisk med atomer fra krystallen. Processen ligner, hvordan rust æder jern eller stål.

Da de undersøgte deres hastighedskort for opløsning af calcit og zinkoxidkrystaller, Lüttge og Fischer fandt "rytmiske udsving i den reaktive overfladesteds tæthed, "eller opløsningsimpulser, der spreder sig som ringe fra ætsningsgrave og skrueforskridelser, meget som krusninger, der spreder sig fra det punkt, hvor en sten rulles ned i en dam.

"Den komplekse overlejring af pulser definerer det samlede resultat, og vi er nu i stand til at forstå - og, mest vigtigt, at kvantificere - sådanne mønstre som udgangspunktet for dannelse af porøsitet i faste materialer under opløsning, "Fischer sagde. Lüttge sagde, at opdagelsen øger forskernes grundlæggende forståelse af krystalopløsning og kan hjælpe forskere inden for så forskellige områder som korrosionsforebyggelse og farmaceutisk fremstilling.