Forskere låser op for et andet stykke puslespil, der er krystalvækst

Fra Moder Natur til vores must-have-enheder, vi er omgivet af krystaller. Dem med høflighed af førstnævnte, såsom is og sne, kan dannes spontant og symmetrisk. Men de siliciumbaserede eller galliumnitridkrystaller, der findes i lysdioder og anden elektronik, kræver lidt coaxing for at opnå deres ideelle former og justeringer.

På UC Santa Barbara, forskere har nu låst op for endnu et stykke af det teoretiske puslespil, der styrer væksten af ​​krystaller - en udvikling, der kan spare tid og energi i de mange processer, der kræver krystaldannelse.

"Den måde, de fleste industrielle processer er designet på i dag, er ved at lave et udtømmende stort antal eksperimenter for at finde ud af, hvordan krystaller vokser, og i hvilken hastighed de vokser under forskellige forhold, "sagde UCSB kemiingeniør Michael Doherty, forfatter til et papir, der vises i Procedurer fra National Academy of Sciences . Snefnug, for eksempel, dannes anderledes, når de falder, afhængigt af variable forhold som temperatur og fugtighed, derfor den udbredte tro på, at ingen er ens. Efter at have bestemt de optimale betingelser for væksten af ​​krystallen af ​​valg, Doherty -tilføjet udstyr skal være designet og kalibreret for at give et konsekvent voksende miljø.

Imidlertid, ved at samle årtiers ekspertise, Doherty, sammen med UCSB -kollega Baron Peters og tidligere kandidatstuderende Mark Joswiak (nu på Dow Chemical) har udviklet en beregningsmetode til at forudsige vækstrater for ioniske krystaller under forskellige omstændigheder. Brug af en relativt simpel krystal - natriumchlorid (NaCl, mere kendt som bordsalt) - i vand, forskerne lagde grunden til analysen af ​​mere komplekse krystaller.

Ioniske krystaller kan forekomme med det blotte øje - og endda under en vis forstørrelse - at bestå af helt glatte og jævne ansigter. Men kig nærmere, og du vil ofte opdage, at de faktisk indeholder overfladeegenskaber, der påvirker deres evne til at vokse, og de større former, de tager.

"Der er forskydninger og omkring dislokationerne er der spiraler, og omkring spiralerne er der kanter, og rundt om kanterne er der knæk, "Peters sagde, "og hvert niveau kræver en teori for at beskrive antallet af disse funktioner og de hastigheder, hvormed de ændres." I den mindste skala, ioner i opløsning kan ikke let vedhæfte den voksende krystal, fordi vandmolekyler, der opløser (interagerer med) ionerne, ikke let løsnes, han sagde. Med så mange processer, der forekommer på så mange skalaer, det er let at se, hvor svært det kan være at forudsige en krystal vækst.

"Den største udfordring var at anvende de forskellige teknikker og metoder til et nyt problem - undersøgelse af ionbinding og frigørelse på overfladeknæksteder, hvor der mangler symmetri kombineret med stærke ion-vand-interaktioner, "Sagde Joswiak." Men da vi stødte på problemer og fandt løsninger, vi fik yderligere indsigt i processerne, vandmolekylers rolle og forskelle mellem natrium- og chloridioner. "

Blandt deres indsigt:Ionstørrelse er vigtig. Forskerne fandt ud af, at på grund af dens størrelse den større chloridion (Cl-) forhindrer vand i at få adgang til knæksteder under frigørelse, begrænsning af den samlede hastighed af natriumchloridopløsning i vand.

"Du er nødt til at finde et særligt koordinatsystem, der kan afsløre de særlige omlægninger af opløsningsmidler, der skaber en åbning for ionerne til at glide gennem opløsningsmiddelburet og låse sig på knækstedet, "Sagde Peters." Vi demonstrerede, at i det mindste for natriumchlorid kan vi endelig give et konkret svar. "

Denne proof-of-concept-udvikling er resultatet af Doherty-gruppens ekspertise med krystalliseringsprocesser kombineret med Peters-gruppens ekspertise i "sjældne hændelser"-relativt sjældne og kortvarige men meget betydningsfulde fænomener (såsom reaktioner), der fundamentalt ændrer tilstanden af systemet. Ved hjælp af en metode kaldet overgangssti sampling, forskerne var i stand til at forstå begivenhederne op til overgangstilstanden. Strategien og mekanistiske indsigter fra arbejdet med natriumchlorid giver en blueprint til at forudsige væksthastigheder i materialesyntese, lægemidler og biomineralisering.