Forskere fanger øjeblikke med spirende krystaldannelse og vækst

Omdannelse af de fleste materialer til organiseret krystallinsk struktur starter med nukleationsprocessen. Et daglig eksempel er den hurtige krystallisering af underkølet vand efter kerneformning af en frøkrystal. Dette fænomen har forvirret forskere og almindelige mennesker ens. Nukleationsprocessen, hvor atomerne samles og danner de mindste krystaller, har været et vigtigt videnskabeligt fænomen, der er blevet bredt undersøgt siden slutningen af ​​1800'erne.

Den klassiske nukleationsteori siger, at monomeren af ​​monomerer til en krystalstruktur sker i en retning. På den anden side, der har været nogle, der foreslog, at en ikke-klassisk krystallisationsproces, der involverer metastabile mellemliggende krystalstrukturer, kan forekomme i nogle systemer. Imidlertid, det har været ekstremt vanskeligt at bekræfte disse teorier gennem direkte observation, fordi nukleationen sker meget hurtigt, og størrelsen af ​​en kerne kan være så lille som et par atomer.

Dette århundredgamle mysterium er endelig blevet løst af et internationalt fælles forskerhold ledet af LEE Won Chul, Professor i maskinteknik på Hanyang University Erica Campus. Det er lykkedes det fælles forskerhold at observere øjeblikket for den oprindelige tilstand af nanokrystalkerndannelse.

Det lykkedes forskerne at filme processen, hvor guldatomer samler sig for at danne nanokrystaller. For at observere den oprindelige tilstand af nukleationsprocessen, holdet syntetiserede guld -nanokrystaller ved at udsende elektronstråle på guldcyanid -nanoribber oven på en grafenmembran, som nedbryder nanoribbons til guldatomer. Den syntetiserede prøve blev observeret med det højtydende transmissionselektronmikroskop (TEM) på Lawrence Berkeley National Laboratory. Processen blev registreret på atomær niveau rumlig opløsning og en ultrahøj tidsmæssig opløsning på en skala på millisekunder.

TEM -observationen viste den pludselige forsvinden og genoptræden af ​​krystalgitterstrukturer før fremkomsten af ​​en stabil krystalstruktur. Gennem grundig analyse, holdet udelukkede nogle faktorer, der kan resultere i sådanne observationer såsom orientering, vippe, og hurtig rotation af nanokrystaller. Derfor, de observerede resultater syntes at indikere, at atomerne, der udgør kernen, tilfældigt svinger mellem de uordnede og krystallinske tilstande. Denne strukturelle udsving syntes at forekomme spontant på en stokastisk måde. Teamets opdagelse udfordrede direkte den mangeårige nukleationsteori samt en nyere nukleationsteori, der er blevet foreslået i de sidste to årtier.

Ud over, teamet fandt ud af, at stabiliteten i den krystallinske tilstand steg, når størrelsen af ​​nanokrystaller steg. For eksempel, nanokrystallerne med 2,0 nm ² områder brugte cirka halvdelen af ​​den tid, der eksisterede i en krystallinsk tilstand. Når krystalstørrelserne steg til over 4,0 nm ² i området, krystallerne syntes at eksistere det meste af tiden under en krystallinsk form.

For at beskrive dette fænomen, teamet foreslog en ny termodynamisk teori om krystalkernen. Undersøgelsen foreslog, at energibarrieren mellem krystallinsk til uordnet transformation har en tendens til at være meget lav i den tidligste fase af nukleation, når klyngestørrelsen er lille, og at den stiger, efterhånden som flere atomer tilføjes strukturen. Dette kan forklare den spontane udsving mellem krystallinske og uordnede tilstande i spirende krystaller bestående af et par atomer. Holdet påpegede også i relativt mindre nanokrystaller, selv tilføjelse af ekstra atomer kan overføre nok energi til systemet til at transformere hele strukturen tilbage til en uordnet tilstand. Energibarrieren stiger, når krystallen vokser, hvilket reducerer sandsynligheden for spontan reversering og stabiliserer de krystallinske strukturer i større krystaller.

Med hensyn til disse fund, Professor Jungwon Park sagde, "Fra et videnskabeligt synspunkt, vi opdagede et nyt princip for krystalkernen, og vi beviste det eksperimentelt. "

Professor Won Chul Lee sagde, "I et teknisk synspunkt, ved at gengive den oprindelige tilstand af aflejringsprocessen, det kan bruges til at opnå original teknologi i halvledermaterialer, komponenter, og udstyr. "

Denne undersøgelse blev offentliggjort i tidsskriftet Videnskab den 29. januar, 2021.