Forskere opdager en ny vej til dannelse af komplekse krystaller

Når materialer når ekstremt små størrelsesskalaer, mærkelige ting begynder at ske. Et af disse fænomener er dannelsen af ​​mesokrystaller.

På trods af at de er sammensat af separate individuelle krystaller, mesokrystaller samles for at danne en større, sammensmeltet struktur, der opfører sig som en ren, enkelt krystal. Imidlertid, disse processer sker i skalaer, der er alt for små til, at det menneskelige øje kan se, og deres skabelse er ekstremt udfordrende at observere.

På grund af disse udfordringer, videnskabsmænd havde ikke været i stand til at bekræfte præcis, hvordan mesokrystaller dannes.

Ny forskning fra et Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ledet hold brugte nu avancerede transmissionselektronmikroskopi (TEM) teknikker til at se mesokrystaller dannes i opløsning i realtid. Det, de så, strider mod konventionel visdom, og deres indsigt kunne en dag hjælpe videnskabsmænd med at designe materialer til energilagring og forstå, hvordan mineraler i jord dannes.

I stedet for at individuelle krystaller danner kerne, det trin, der begynder krystaldannelsen, og derefter tilfældigt aggregere til mesokrystaller i to ikke-relaterede trin, forskerne observerede, at nukleation og vedhæftning var tæt forbundet med at danne disse meget ensartede strukturer. Forskerne rapporterede deres arbejde i februar 18, 2021 udgave af Natur .

"Vores resultater identificerer en vigtig ny vej for krystallisering ved partikelbinding og løser nøglespørgsmål om mesokrystaldannelse, " sagde PNNL og University of Washingtons materialeforsker Guomin Zhu. Han var en del af forskerholdet ledet af Jim De Yoreo, PNNL-materialeforsker og meddirektør for Northwest Institute for Materials Physics, Kemi, og teknologi. "Vi formoder, at dette er et udbredt fænomen med betydelige implikationer både for syntesen af ​​designede nanomaterialer og for forståelsen af ​​naturlig mineralisering, " tilføjede Zhu.

Se krystallisation i realtid

Projektet tog årevis at udføre og krævede betydelig problemløsning. Til mikroskopiske eksperimenter, det videnskabelige hold valgte et modelsystem, der inkluderede hæmatit, en jernforbindelse, der almindeligvis findes i jordskorpen, og oxalat, en naturligt rigelig forbindelse i jorden.

De visualiserede processen ved hjælp af in situ TEM, hvilket giver forskerne mulighed for at se krystallisation på nanometerskala, mens det sker. De kombinerede denne realtidsmetode med "frys-og-se" TEM, der gjorde det muligt for dem at følge en individuel krystal på forskellige punkter under væksten. Teoretiske beregninger hjalp med at fuldende billedet, giver PNNL-teamet mulighed for at sammensætte, hvordan mesokrystallerne voksede.

Forskere kører generelt de fleste in situ TEM-eksperimenter ved stuetemperatur for at forenkle den eksperimentelle opsætning og minimere potentialet for at beskadige det følsomme instrument, men mesokrystaldannelsen er hurtig nok til at observere forekommer ved omkring 80 °C.

"Det ekstra udstyr, der blev brugt til at opvarme prøverne, gjorde eksperimenterne ekstremt udfordrende, men vi vidste, at dataene ville være nøglen til at forstå, hvordan mesokrystallerne dannedes, " sagde Zhu.

Når den er opvarmet, de nye hæmatit nanokrystaller gør det nemt for dem hurtigt at sætte sig sammen, som fører, gennemsnitlig, til endelige mesokrystaller af omtrent samme størrelse og form.

Mesokrystaller i naturen

Den kemiske nøgle til denne hurtige, pålidelig vedhæftning er de oxalatmolekyler, der er til stede i opløsningen. Efter de første par små krystaller er dannet, Oxalattilsætningsstofferne hjælper med at skabe en kemisk gradient ved grænsefladen mellem væsken og den voksende krystal. Flere kemiske komponenter, der er nødvendige for partikelkernedannelse, dvæler i nærheden af ​​krystallerne, hvilket dramatisk øger sandsynligheden for, at der dannes nye partikler i nærheden af ​​eksisterende.

Mens denne krystalvækstvej blev observeret under kontrollerede forhold i meget små skalaer, det forekommer sandsynligvis også i naturlige systemer, ifølge forskerne. Nogle mineralforekomster, inklusive en australsk hæmatitaflejring, indeholder mesokrystaller. I betragtning af den naturlige overflod af oxalat og PNNL-holdets observation af, at hæmatit kan blive mesokrystaller ved temperaturer så lave som 40 °C, det virker plausibelt, at denne dannelsesvej forekommer i naturen.

Fordi mesokrystaller findes overalt i naturen, resultaterne kan anvendes til at forstå næringsstofkredsløbet i miljøet, blandt andre applikationer. I øvrigt, Vejen til at skabe næsten ensartede komplekse strukturer kræver en forståelse af, hvordan metoder til at danne sådanne materialer fungerer, og hvordan man kontrollerer dem. Altså dette arbejde, støttet af det amerikanske energiministerium, Videnskabens kontor, Kontoret for Grundlæggende Energividenskab, Afdelingen for Kemividenskab, Geovidenskab, og biovidenskab, åbner nye muligheder for bevidst at skabe mesokrystaller eller mesokrystallignende materialer.