Ny indsigt i nanokrystalvækst i væske

Mange muslingeskaller, mineraler, og halvleder nanomaterialer er opbygget af mindre krystaller, som er samlet som brikkerne i et puslespil. Nu, forskere har målt de kræfter, der får krystallerne til at samle sig, afsløre et orkester af konkurrerende faktorer, som forskere måske kan kontrollere.

Arbejdet har en række implikationer inden for både opdagelse og anvendt videnskab. Ud over at give indsigt i dannelsen af ​​mineraler og halvledernanomaterialer, det kan også hjælpe videnskabsmænd med at forstå jorden, når den udvider sig og trækker sig sammen gennem befugtnings- og tørrecyklusser. I det anvendte område, forskere kan bruge principperne til at udvikle nye materialer med unikke egenskaber til energibehov.

Resultaterne, offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences i juli, beskriv, hvordan arrangementet af atomerne i krystallerne skaber kræfter, der trækker dem sammen og justerer dem til docking. Undersøgelsen afslører, hvordan tiltrækningen bliver stærkere eller svagere, når vand opvarmes eller salt tilsættes, som begge er almindelige processer i den naturlige verden.

Det multinationale hold, ledet af kemikerne Dongsheng Li og Jaehun Chun fra Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory, undersøgte de tiltrækkende kræfter mellem to krystalpartikler lavet af glimmer. Et flaget mineral, der almindeligvis bruges i elektrisk isolering, dette siliciumbaserede mineral er velundersøgt og nemt at arbejde med, fordi det fliser af i flade stykker med næsten perfekte krystaloverflader.

Kræfter og ansigter

Krystallisering sker ofte gennem samling af mangefacetterede byggesten:nogle flader på disse mindre krystaller passer bedre sammen med andre, ligesom legoklodser gør. Li og Chun har studeret en specifik krystalliseringsproces kaldet orienteret tilknytning. Blandt andre kendetegn, orienteret vedhæftning opstår, når mindre underenheder af spæde krystaller justerer deres bedst matchende ansigter, før de klikker sammen.

Processen skaber forskellige ikke-lineære former:nanotråde med grene, gitter, der ligner komplicerede honningkager, og tetrapoder - bittesmå strukturer, der ligner firearmede legetøjsstik. De molekylære kræfter, der bidrager til denne selvsamling, er ikke godt forstået.

Molekylære kræfter, der spiller ind, kan tiltrække eller frastøde de små krystalbyggesten til eller fra hinanden. Disse omfatter en række lærebogskræfter såsom van der Waals, hydrogenbinding, og elektrostatiske, blandt andre.

For at udforske kræfterne, Li, Chun og kolleger fræsede flade ansigter på bittesmå plader af glimmer og satte dem på en enhed, der måler tiltrækningen mellem to stykker. Derefter målte de tiltrækningen, mens de vride ansigterne i forhold til hinanden. Forsøget gjorde det muligt for glimmeren at blive badet i en væske, der indeholder forskellige salte, lader dem teste scenarier i den virkelige verden.

Forskellen i dette arbejde var væskeopsætningen. Lignende eksperimenter fra andre forskere er blevet udført tørt under vakuum; i dette arbejde, væsken skabte forhold, der bedre simulerer, hvordan rigtige krystaller dannes i naturen og i store industrielle metoder. Holdet udførte nogle af disse eksperimenter på EMSL, det miljømolekylære laboratorium, en DOE Office of Science User Facility hos PNNL.

Vrid og salt

En af de første ting, holdet fandt, var, at tiltrækningen mellem to stykker glimmer steg og faldt, da ansigterne snoede sig i forhold til hinanden, som når du prøver at lave en sandwich ud af to flade køleskabsmagneter (fortsæt, Prøv det). Faktisk, attraktionen steg og faldt hver 60 grader, svarende til mineralets indre arkitektur, som er næsten sekskantet som en bikagecelle.

Selvom andre forskere for mere end ti år siden havde forudsagt, at denne cykliske tiltrækning ville ske, det er første gang, forskerne har målt kræfterne. At kende styrken af ​​kræfterne er nøglen til at manipulere krystallisering i forsknings- eller industrimiljøer.

Men andre ting susede også i glimmer-face-off. Mellem de to overflader, det flydende miljø rummede elektrisk ladede ioner fra salte, normale grundstoffer fundet under krystallisation i naturen. Vandet og ionerne dannede et noget stabilt lag mellem overfladerne, der til dels holdt dem adskilt. Og da de bevægede sig hen imod hinanden, de to glimmerflader holdt pause der, balanceret mellem molekylær tiltrækning og frastødning af vand og ioner.

Holdet fandt også ud af, at de kunne manipulere styrken af ​​den tiltrækning ved at ændre typen af ​​ioner, deres koncentration, og temperaturen. Forskellige typer ioner og deres koncentrationer ændrede den elektrostatiske frastødning mellem glimmeroverfladerne. Størrelsen af ​​ionerne og hvor mange ladninger de bar skabte også mere eller mindre plads i det blandende lag.

Til sidst, højere temperaturer øgede styrken af ​​attraktionen, i modsætning til hvordan temperaturen opfører sig i enklere, mindre komplekse scenarier. Forskerne byggede en model af de konkurrerende kræfter, der inkluderede van der Waals, elektrostatisk, og hydreringskræfter.

I fremtiden, siger forskerne, principperne fra denne undersøgelse kan anvendes på andre materialer, som ville blive beregnet for materialet af interesse. For eksempel, manipulation af attraktionen kan give forskere mulighed for at specialbygge krystaller af ønskede størrelser og former og med unikke egenskaber. Samlet set, værket giver indsigt i krystalvækst gennem nanopartikelsamling i syntetisk, biologiske, og geokemiske miljøer.