Underlig videnskab:Krystaller smelter, når de er afkølet

(Phys.org) —Voksning af tynde film ud af nanopartikler i ordnede, krystallinske plader, at lave alt fra mikroelektroniske komponenter til solceller, ville være en velsignelse for materialeforskere, men fysikken er vanskelig, fordi partikler af den størrelse ikke danner krystaller, som individuelle atomer gør.

Brug af større partikler som modeller, fysikere har forudsagt nogle usædvanlige egenskaber ved nanopartikelkrystalvækst – især, at nogle partikler, på grund af deres størrelser og de attraktive kræfter mellem dem, vokse krystaller, der smelter, når de er afkølet.

En undersøgelse ledet af John Savage, tidligere postdoc i laboratoriet hos Itai Cohen, lektor i fysik, viste, at kolloide krystaller, som dannes af partikler suspenderet i væske, kan udvise dette mærkelige fænomen med koldsmeltning. Undersøgelsen blev offentliggjort online 20. maj i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Normalt dyrker folk krystaller af forskellige materialer, ligesom den almindelige halvleder galliumarsenid, som lagdelte plader af stærkt bundne atomer. Kolloide krystaller er forskellige; de dannes, når kolloide partikler suspenderet i en væske selv samles i arrays.

For at få kolloiderne i mikronstørrelse til at danne krystaller, forskerne introducerede nanometer-store partikler i væsken, som konkurrerer med de større kolloider om plads og ender med at skubbe kolloiderne sammen, men kun når afstanden mellem dem er mindre end nanopartiklerne. Fordi denne tiltrækning er et resultat af den termiske energi af nanopartiklernes bevægelser, bindingerne mellem de kolloide partikler er også relativt svage.

Disse kortdistance, svage tiltrækninger mellem partikler, i modsætning til stærke atombindinger, udviser nogle overraskende adfærd. For eksempel, Cohen sagde, i opløsning er partiklerne kun i stand til at mærke hinanden, når de er mindre end en nanopartikel fra hinanden. Men hvis de kolloide partikler hviler på et substrat af partikler, som sætter afstanden mellem dem, så kan interaktionens rækkevidde øges dramatisk.

De fandt ud af, at substratpartiklerne holder kolloiderne løst bundet længe nok til, at de kan støde og interagere med deres naboer i flyet, men kun en gang imellem. Effektivt, det ser ud som om partiklerne danner bindinger med deres naboer i planet, selvom de kun gør det nogle gange.

"Dette gør det muligt for naboer i planet at danne løst bundne krystaller, hvis mellemrum mellem partikler er meget større, end hvad du ville forvente var muligt, i betragtning af interaktionens kortsigtede karakter, " sagde Cohen.

Da de sænkede temperaturen, så bindingerne mellem partikler var stærkere end deres termiske energi, partiklerne stødte mindre. Følgelig, de sad dybere i brønden dannet af substratpartiklerne og interagerede sjældnere med deres naboer i planet.

Resultatet, Cohen sagde, er, at kolloiderne ikke længere var i stand til at danne bindinger i planet, der kan holde krystallen sammen, så partikler kan diffundere væk og krystallen opløses eller smelter. "Det er denne underlige effekt, " sagde Cohen, "hvor krystallen smelter ved afkøling."

Disse resultater kan hjælpe materialeforskere med at skræddersy væksten af ​​krystaller sammensat af nanopartikler - hvor lignende effekter opstår - til nye anvendelser inden for elektronik eller energimaterialer.

Studiet, "Entropi-drevet krystaldannelse på stærkt belastede substrater, " blev støttet af King Abdullah University of Science and Technology og National Science Foundation.