Krystalkrige:Forskning kan føre til mere effektive krystalteknologiske metoder

Et team af forskere ved University of Tokyo og Fudan University har studeret processen med krystallisering, når mere end én strukturel ordning er mulig. Ved at reducere støjen fra tilfældige udsving, de fandt ud af, at forbigående forstadier til de forskellige krystallinske ordener eksisterer side om side og konkurrerer med hinanden. Dette arbejde kan hjælpe med at føre til mere effektive krystalteknologiske metoder.

En af de mest populære udstillinger på ethvert geologisk museum er krystalafsnittet. Stor, flad, rektangulære eller tetraedriske flader af en elegant krystal afspejler underliggende molekylære mønstre. Ved nærmere eftersyn, nogle eksemplarer viser sig at være mosaikker af forskellige former, viser, at de samme atomer kan arrangere sig selv på flere måder, kaldet polymorfi. Faktisk, alle krystaller er bare gentagne arrangementer af atomer eller større partikler, der typisk vokser fra mindre frø. Disse frø tjener som indledende skabeloner, der gør det muligt for nye partikler at fæstne sig på de rigtige steder. Imidlertid, når flere strukturer udviser lignende stabilitet, krystallisationsprocessen kan blive ekstremt kompleks.

For bedre at forstå dette, forskere ved University of Tokyo og Fudan University studerede et eksperimentelt system bestående af ensartede poly(methylmethacrylat) kolloide kugler. Ved hjælp af konfokal mikroskopi, som gør det muligt at spore 3-D-positionerne af mange partikler samtidigt, sammen med kraftfulde computeralgoritmer, holdet observerede en sydende blanding af konkurrerende strukturer, der konstant brydes og reformeres.

Hver type af krystallinsk ordnende precursor var i konkurrence om at skabe væksten af ​​den type struktur. Forskerne opdagede, at de mellemliggende strukturer, før krystallisationen var fuldstændig, viste sig at være blandinger af lokale ordener, der var kortvarige og ofte omdannet til hinanden. "Konkurrence mellem forskellige krystalbestillinger foregår lokalt og kan maskeres af store positionsudsving, " siger seniorforfatter Peng Tan.

For at overvinde denne støj, holdet skulle bruge beregningsmetoder for korrekt at klassificere de forskellige strukturer. Den rumlige sameksistens af faser, sammen med nyligt fundne tidsmæssige udsving i konkurrerende ordrer, viser, at lidelse er et iboende træk ved krystalprækursorer.

"Vores metode giver det klareste billede endnu af den konkurrence, der kan eksistere mellem de forskellige krystallinske former i en enkelt prøve, " siger seniorforfatter Hajime Tanaka. "Denne forskning kan bane vejen for nye tilgange til industriel produktion af krystallinske materialer."

Værket er udgivet i Videnskabens fremskridt som "Atsløre roller af konkurrerende lokale strukturelle ordninger i krystallisation af polymorfe systemer."