Afslører nano-big bang:Forskere observerer de første millisekunder af krystaldannelse

Når vi dyrker krystaller, atomer grupperer sig først sammen i små klynger - en proces kaldet kernedannelse. Men at forstå præcis, hvordan en sådan atomorden opstår fra kaoset af tilfældigt bevægende atomer, har længe unddraget sig videnskabsmænd.

Klassisk nukleationsteori antyder, at krystaller danner et atom ad gangen, støt stigende ordensniveau. Moderne undersøgelser har også observeret en to-trins kernedannelsesproces, hvor en midlertidig, højenergistruktur dannes først, som så ændres til en stabil krystal. Men ifølge et internationalt forskerhold ledet af Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), den virkelige historie er endnu mere kompliceret.

Deres resultater, for nylig rapporteret i bladet Videnskab , afsløre, at i stedet for at gruppere sig én efter én eller foretage en enkelt irreversibel overgang, guldatomer vil i stedet selvorganisere sig, falde fra hinanden, omgruppere, og derefter omorganisere mange gange, før du etablerer en stald, bestilt krystal. Ved hjælp af et avanceret elektronmikroskop, forskerne var vidne til denne hurtige, reversibel nukleationsproces for første gang. Deres arbejde giver håndgribelig indsigt i de tidlige stadier af mange vækstprocesser, såsom tyndfilmaflejring og dannelse af nanopartikler.

"Da videnskabsmænd søger at kontrollere stof i mindre længdeskalaer for at producere nye materialer og enheder, denne undersøgelse hjælper os med at forstå præcis, hvordan nogle krystaller dannes, sagde Peter Ercius, en af ​​undersøgelsens hovedforfattere og en stabsforsker ved Berkeley Labs Molecular Foundry.

I tråd med videnskabsmænds konventionelle forståelse, når krystallerne i undersøgelsen nåede en vis størrelse, de vendte ikke længere tilbage til de uordnede, ustabil tilstand. Vandt Chul Lee, en af ​​professorerne, der leder projektet, beskriver det på denne måde:hvis vi forestiller os hvert atom som en legoklods, så i stedet for at bygge et hus en mursten ad gangen, det viser sig, at klodserne gentagne gange passer sammen og går i stykker igen, indtil de endelig er stærke nok til at blive sammen. Når fundamentet er sat, imidlertid, flere mursten kan tilføjes uden at forstyrre den overordnede struktur.

De ustabile strukturer var kun synlige på grund af hastigheden af ​​nyudviklede detektorer på TEAM I, et af verdens kraftigste elektronmikroskoper. Et team af interne eksperter guidede eksperimenterne ved National Center for Electron Microscopy i Berkeley Labs Molecular Foundry. Ved at bruge TEAM I-mikroskopet, forskere fanget i realtid, billeder i atomopløsning med hastigheder på op til 625 billeder i sekundet, hvilket er usædvanligt hurtigt til elektronmikrokopiering og omkring 100 gange hurtigere end tidligere undersøgelser. Forskerne observerede individuelle guldatomer, da de blev dannet til krystaller, brød fra hinanden i individuelle atomer, og derefter omdannet igen og igen til forskellige krystalkonfigurationer, før de endelig stabiliseres.

"Langsommere observationer ville gå glip af dette meget hurtigt, reversibel proces og bare se en sløring i stedet for overgangene, hvilket forklarer, hvorfor denne nukleationsadfærd aldrig er set før, sagde Ercius.

Årsagen bag dette reversible fænomen er, at krystaldannelse er en eksoterm proces - dvs. det frigiver energi. Faktisk, selve energien, der frigives, når atomer binder sig til de bittesmå kerner, kan hæve den lokale "temperatur" og smelte krystallen. På denne måde den indledende krystaldannelsesproces virker imod sig selv, svinger mellem orden og uorden mange gange, før man bygger en kerne, der er stabil nok til at modstå varmen. Forskerholdet validerede denne fortolkning af deres eksperimentelle observationer ved at udføre beregninger af bindingsreaktioner mellem et hypotetisk guldatom og en nanokrystal.

Nu, forskere udvikler endnu hurtigere detektorer, som kan bruges til at afbilde processen ved højere hastigheder. Dette kunne hjælpe dem med at forstå, om der er flere træk ved kernedannelse skjult i det atomare kaos. Holdet håber også at se lignende overgange i forskellige atomsystemer for at afgøre, om denne opdagelse afspejler en generel kernedannelsesproces.

En af undersøgelsens hovedforfattere, Jungwon Park, opsummerede arbejdet:"Fra et videnskabeligt synspunkt, vi opdagede et nyt princip for krystalkernedannelsesproces, og vi beviste det eksperimentelt."