Многие морские раковины, минералы и полупроводниковые наноматериалы состоят из более мелких кристаллов, которые собраны вместе, как кусочки пазла. Теперь исследователи измерили силы, заставляющие кристаллы собираться, и выявили ряд конкурирующих факторов, которые исследователи могли бы контролировать.
Работа имеет множество последствий как для открытий, так и для прикладной науки. Помимо того, что он дает представление о формировании минералов и полупроводниковых наноматериалов, он также может помочь ученым понять, как почва расширяется и сжимается в результате циклов увлажнения и высыхания. В прикладной сфере исследователи могут использовать эти принципы для разработки новых материалов с уникальными свойствами для нужд энергетики.
Результаты, опубликованные в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences в июле, описывают, как расположение атомов в кристаллах создает силы, которые сближают их и выравнивают для стыковки. Исследование показывает, как притяжение становится сильнее или слабее при нагревании воды или добавлении соли, что является обычным процессом в мире природы.
Многонациональная команда, возглавляемая химиками Донгшэном Ли и Джехуном Чуном из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики, исследовала силы притяжения между двумя кристаллическими частицами, сделанными из слюды. Слоеный минерал, который обычно используется в электроизоляции, этот минерал на основе кремния хорошо изучен и с ним легко работать, потому что он откалывается на плоские куски с почти идеальной кристаллической поверхностью.
Силы и лица
Кристаллизация часто происходит путем сборки многогранных строительных блоков: некоторые грани этих меньших кристаллов лучше совпадают с другими, как это делают блоки Lego. Ли и Чун изучали специфический процесс кристаллизации, называемый ориентированной привязанностью. Среди других отличительных характеристик ориентированное прикрепление происходит, когда более мелкие части молодых кристаллов выравнивают свои наиболее совпадающие грани, прежде чем щелкнуть вместе.
В процессе создаются различные нелинейные формы: нанопроволоки с ответвлениями, решетки, похожие на сложные соты, и четвероногие - крошечные структуры, похожие на четырехрукие игрушечные домкраты. Молекулярные силы, способствующие такой самосборке, изучены недостаточно.
Молекулярные силы, которые вступают в игру, могут притягивать или отталкивать крошечные кристаллические строительные блоки друг от друга. К ним относятся различные силы из учебников, такие как силы Ван-дер-Ваальса, водородные связи и электростатические силы, среди прочих.
Чтобы исследовать силы, Ли, Чун и их коллеги вырезали плоские лица на крошечных пластинах слюды и помещали их на устройство, которое измеряет притяжение между двумя частями. Затем измеряли притяжение, скручивая лица относительно друг друга. Эксперимент позволил погрузить слюду в жидкость, содержащую различные соли, что позволило протестировать реальные сценарии.
Разницей в этой работе была установка жидкости. Подобные эксперименты другими исследователями проводились всухую под вакуумом; в этой работе жидкость создала условия, которые лучше имитируют образование настоящих кристаллов в природе и в больших промышленных условиях. Команда провела некоторые из этих экспериментов в EMSL, Лаборатории молекулярных наук об окружающей среде, пользовательском центре Министерства энергетики США в PNNL.
Твист и соль
Одна из первых вещей, которую обнаружила команда, заключалась в том, что притяжение между двумя кусками слюды увеличивалось и уменьшалось, когда грани скручивались относительно друг друга, как при попытке сделать бутерброд из двух плоских магнитов на холодильник (продолжайте)., попытайся). На самом деле притяжение увеличивалось и уменьшалось каждые 60 градусов, что соответствует внутренней архитектуре минерала, который имеет почти шестиугольную форму, как соты.
Хотя другие исследователи более десяти лет назад предсказывали, что это циклическое притяжение произойдет, ученые впервые измерили силы. Знание силы сил является ключом к управлению кристаллизацией в исследовательских или промышленных условиях.
Но в слюдяном вбрасывании гудели и другие вещи. Между двумя поверхностями в жидкой среде находились электрически заряженные ионы солей, нормальных элементов, встречающихся при кристаллизации в природе. Вода и ионы образовывали несколько стабильный слой между поверхностями, который частично разделял их. И по мере того, как они приближались друг к другу, две поверхности слюды останавливались, балансируя между молекулярным притяжением и отталкиванием воды и ионов.
Команда также обнаружила, что может управлять силой этого притяжения, изменяя тип ионов, их концентрацию и температуру. Различные типы ионов и их концентрации изменяли электростатическое отталкивание между поверхностями слюды. Размер ионов и количество зарядов, которые они несли, также создавали большее или меньшее пространство внутри вмешивающегося слоя.
Наконец, более высокие температуры увеличили силу притяжения, в отличие от того, как температура ведет себя в более простых и менее сложных сценариях. Исследователи построили модель конкурирующих сил, в которую вошли силы Ван-дер-Ваальса, электростатические силы и силы гидратации.
В будущем, говорят исследователи, принципы, извлеченные из этого исследования, могут быть применены к другим материалам, которые будут рассчитаны для интересующего материала. Например, управление притяжением может позволить исследователям создавать кристаллы желаемых размеров и форм с уникальными свойствами. В целом, работа дает представление о росте кристаллов посредством сборки наночастиц в синтетических, биологических и геохимических средах.