Discovery skaber et nyt paradigme for at skabe materialer fra krystaller

Se nøje nok, og du vil se geniale mønstre overalt i naturen. Forskere og ingeniører har længe forstået dette, men det har vist sig at være udfordrende at efterligne Moder Natur i opbygningen af ​​sådanne mønstre – især højt ordnet krystalstruktur. For nylig, Maria Sushko og Kevin Rosso ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) forbedrede forståelsen betydeligt ved at tydeliggøre drivkræfterne bag partikelbaseret krystalvækst med deres nye beregningsmetode. De lærte, at krystalvækst afhænger af den subtile balance mellem interaktioner mellem atomer, ioner, molekyler, og partikler. Deres opdagelse rummer et betydeligt løfte om at skabe materialer til at løse energiudfordringer.

I naturlige krystalvækstprocesser, nanopartikelbyggeblokke hæfter langs specifikke krystalflader. Ved at studere disse eksempler, forskere blev inspireret til at overveje, hvordan de kunne skabe lignende krystalstrukturer til en række praktiske anvendelser, herunder energilagring. Bevæbnet med en større forståelse af de grundlæggende processer, der ligger til grund for krystalvækstens veje, forskere kunne kontrollere disse processer for at syntetisere nye materialer med præcise detaljer. I deres forskning, Sushko og Rosso fandt ud af, at koordineret bevægelse af ioner tæt på nanopartikeloverflader driver den måde, nanopartikler arrangeres i matchende krystalformer og strukturer. De opdagede, at ioner i opløsning kan dirigere rotationen af ​​nanopartikler ind i en matchende krystalorientering, der præcist efterligner naturens mønster - for at producere perfekte krystaller.

PNNL-forskernes opdagelse giver grundlæggende grundlæggende indsigt i geokemiske processer, der fører til mineraldannelse, og hjælper med at skabe komplekse, hierarkisk, enkeltkrystalstrukturer i laboratoriet. Det lover også på sigt at skabe innovative materialer til forbrugerelektronik, batterier, og mere. Ifølge Sushko, deres nye beregningsmæssige tilgang skaber "et nyt paradigme i videnbaseret syntese af højt ordnede tredimensionelle krystalstrukturer" til en række praktiske anvendelser inden for katalyse- og energilagringsteknologier.

Rosso og Sushko udviklede en ny multi-skala beregningsmodel, der omfatter de væsentlige kræfter, der virker mellem atomer, molekyler, og partikler. Deres tilgang spænder over længdeskalaerne fra Ångstrøm til en halv mikron og er fuldt ud overførbar til en bred vifte af systemer. Metoden er dybt forankret i kvantemekanikken og giver en parameterfri tilgang til modellering af eksperimentelt relevante systemer.

Deres nye beregningsmæssige tilgang er et stort skridt i retning af at udvikle en omfattende teori om partikelbaseret krystallisation. Fremtidig forskning vil udvide modellen til at omfatte et bredere spektrum af makroskopiske kræfter, såsom magnetisk og elektrisk polarisering. Modellen vil også blive anvendt yderligere på andre materialer for at få indsigt i forskellige krystallisationsveje.