Billedbehandling i atomskala afslører en let vej til krystaldannelse

Hvad har skyer, fjernsyn, lægemidler og endda snavset under vores fødder til fælles? De har alle eller bruger krystaller på en eller anden måde. Krystaller er mere end bare smarte ædelstene. Skyer dannes, når vanddamp kondenserer til iskrystaller i atmosfæren. Flydende krystalskærme bruges i en række elektronik, fra fjernsyn til instrumentpaneler. Krystallisation er et vigtigt skridt for lægemiddelopdagelse og oprensning. Krystaller udgør også sten og andre mineraler. Deres afgørende rolle i miljøet er et fokus for materialevidenskab og sundhedsvidenskabelig forskning.

Forskere har endnu ikke fuldt ud forstået, hvordan krystallisering opstår, men betydningen af ​​overflader for at fremme processen har længe været anerkendt. Forskning fra Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), University of Washington (UW) og Durham University kaster nyt lys over, hvordan krystaller dannes på overflader. Deres resultater blev offentliggjort i Science Advances .

Tidligere undersøgelser af krystallisering førte til, at videnskabsmænd dannede den klassiske kernedannelsesteori - den fremherskende forklaring på, hvorfor krystaller begynder at dannes eller danne kerne. Når krystaller danner kerne, begynder de som meget små flygtige klynger af blot nogle få atomer. Deres lille størrelse gør klyngerne ekstremt svære at opdage. Forskere har kun formået at indsamle nogle få billeder af sådanne processer.

"Nye teknologier gør det muligt at visualisere krystalliseringsprocessen som aldrig før," sagde kemiker Ben Legg ved PNNL Physical Sciences Division. Han samarbejdede med PNNL Battelle Fellow og UW Affiliate Professor James De Yoreo for at gøre netop det. Med hjælp fra professor Kislon Voitchovsky fra Durham University i England brugte de en teknik kaldet atomkraftmikroskopi til at se kernedannelsen af ​​et aluminiumhydroxidmineral på en glimmeroverflade i vand.

Glimmer er et almindeligt mineral, der findes i alt fra gipsplader til kosmetik. Det giver ofte en overflade, hvor andre mineraler kan danne kerne og vokse. For denne undersøgelse var dens vigtigste egenskab imidlertid dens ekstremt flade overflade, som gjorde det muligt for forskere at detektere de få-atomede klynger, som de blev dannet på glimmeren.

Det, Legg og De Yoreo observerede, var et krystallisationsmønster, som ikke var forventet fra den klassiske teori. I stedet for en sjælden begivenhed, hvor en klynge af atomer når en kritisk størrelse og derefter vokser hen over overfladen, så de tusindvis af fluktuerende klynger, der smeltede sammen til et uventet mønster med huller, der varede mellem krystallinske "øer."

Efter omhyggelig analyse af resultaterne konkluderede forskerne, at selvom visse aspekter af den nuværende teori holdt stik, fulgte deres system i sidste ende en ikke-klassisk vej. De tilskriver dette elektrostatiske kræfter fra ladninger på glimmeroverfladen. Fordi mange typer materialer danner ladede overflader i vand, antager forskerne, at de observerede et udbredt fænomen og er spændte på at lede efter andre systemer, hvor denne ikke-klassiske proces kan forekomme.

"Antagelser fra klassisk nukleationsteori har vidtrækkende implikationer i discipliner lige fra materialevidenskab til klimaforudsigelser," sagde De Yoreo. "Resultaterne fra vores eksperimenter kan hjælpe med at producere mere nøjagtige simuleringer af sådanne systemer." + Udforsk yderligere

Orden op:Ny undersøgelse afslører betydningen af ​​flydende strukturel orden i krystallisation