Fysikere udvikler en ny metode til krystalproduktion

Det være sig i phyics, metalurgi, gemologi eller teknik, anvendelsen af ​​krystaller er meget bred. Et forskerhold, herunder Christos Likos og Lorenzo Rovigatti fra det fysiske fakultet ved universitetet i Wien, i samarbejde med National Institute of Standards and Technology (NIST, USA) og Princeton University (USA) har udviklet en ny metode til at samle store, periodiske krystaller. Resultaterne er offentliggjort i jounralen ACS Nano .

Krystaller er solide materialer sammensat af mikroskopiske byggeklodser arrangeret i stærkt ordnede mønstre. De har utallige applikationer, lige fra metallurgi til smykker til elektronik. Mange af de egenskaber, der gør krystaller nyttige, afhænger af det detaljerede arrangementsmønster for deres bestanddele, hvilken, på tur, er meget følsom over for detaljerne i samspillet mellem byggestenene. I molekylære og atomiske krystaller er interpartikelkræfterne fikseret af naturen, og den eneste måde at indstille det mikroskopiske arrangement på er enten at variere de ydre forhold (temperatur, tryk, osv.) eller ændre partiklerne selv. Derimod, uvidende fysik, hvor byggestenene er størrelsesordener større og meget mere komplekse end atomer, det er muligt at designe og konstruere byggesten med ekstremt afstemmelige egenskaber. Følgelig, der er blevet lagt en stor indsats i syntesen af ​​kolloider, der selv samler sig til meget symmetriske mønstre med teknologisk relevante egenskaber. For eksempel, der findes specifikke krystalgitter, der udviser meget spændende optiske egenskaber, de såkaldte fotoniske krystaller-periodiske strukturer, der tillader visse bånd af lysbølgelængder at forplante sig gennem deres indre, mens de blokerer andre.

Et naturligt eksempel på en fotonisk krystal er opalen, hvis fascinerende farve skyldes lysets måde at interagere med sin mikroskopiske struktur af kolloidale partikler arrangeret på et almindeligt gitter. Den dyrebare opals flerfarvede iriserende farve, kilden til dens charmerende udseende, skyldes tilstedeværelsen af ​​flere små krystaller, kendt som krystallitter, som er tilfældigt orienteret i forhold til hinanden. Ud over, samlingen af ​​kolloide krystaller er ofte forvirret af polymorfisme:"Forskellige strukturer er kendetegnet ved sammenlignelige termodynamiske stabiliteter, gør det svært at producere en enkelt morfologi efter behag ", siger Christos Likos fra det fysiske fakultet ved universitetet i Wien.

Den resulterende mangel på rækkefølge på lang afstand er skadelig for mange applikationer. Derfor, strategier skal udvikles, der øger væksten af ​​langtrækkende, monokrystallinske prøver i (reelle eller numeriske) eksperimenter. Derfor, forskere har arbejdet hårdt på at udvikle strategier, der øger væksten af ​​store, monokrystallinske strukturer. Anvendelse af computersimuleringer, en ny metode er nu blevet udviklet, der tillader samling af teknologisk relavant, ikke-polymorfe krystaller. "Systemet krystalliserer til en blanding af forskellige mikokrystaller. Imidlertid er de konkurrerende strukturer samlet af kolloiderne har forskellige geometrier og forskellige interne hulrumsfordelinger. Denne forskel kan udnyttes ved at indstille størrelsen af ​​polymeradditiv til at interagere entydigt med hulrumssymmetrien i den ønskede krystal, effektivt stabiliserer det mod konkurrenten ", forklarer Lise-Meitner-stipendiat Lorenzo Rovigatti, arbejder i gruppen af ​​Christos Likos.

Forskerteamets resultater tjener ikke kun til at illustrere et alternativ til eksisterende tilgange, som, i mange tilfælde, give utilfredsstillende resultater, men også at guide eksperimentelle erkendelser af stærkt bestilte kolloidale åbne krystaller i den nærmeste fremtid.