Сначала аморфный, затем упорядоченный: впервые исследователи наблюдали рождение крошечного кристалла железа вживую под электронным микроскопом. - и таким образом прояснился фундаментальный вопрос о кристаллизации. Потому что изображения показывают, что атомы железа первоначально группируются аморфно, прежде чем они образуют упорядоченную структуру решетки. Это опровергает «одноступенчатую» теорию кристаллообразования - по крайней мере, для железа, золота и рения.
Кристаллы распространены повсеместно, потому что в большинстве твердых тел атомы или молекулы расположены в упорядоченной решетчатой структуре. Разнообразие кристаллических структур варьируется от бесчисленных вариантов водяного льда до компактной и стабильной структуры алмазов и впечатляющих гигантских кристаллов в пещере Найка в Мексике или жеоды Пульпи в Испании.
Первый аморфный или прямо упорядоченный?
Но первый шаг в кристаллизации - от отдельных атомов до начала решетки - до сих пор остается загадкой. Поскольку это так называемое зародышеобразование происходит в очень малых масштабах - агрегация всего от 100 до 1000 атомов считается критическим пределом для образования кристаллов. Однако их трудно наблюдать в действии, поэтому ученые используют модели, чтобы помочь себе.
«В стандартной литературе до сих пор существовало две модели того, как кристалл может прорастать», - объясняет старший автор Уте Кайзер из Ульмского университета. «Предполагалось, что атомы, как кирпичики Lego, соединялись один за другим, образуя кристаллическую решетку. Вторая модель предполагала наличие неупорядоченной промежуточной фазы, из которой формируется кристалл».
Нанотрубки как «пробирки»
Используя хитрый трюк, Кайзер и ее команда впервые преуспели в том, чтобы проследить зарождение железа, рения и золота вживую. Решающим инструментом для этого стали одностенные углеродные нанотрубки, служившие «пробирками» для кристаллизации железа. Нанотрубки кажутся прозрачными под электронным микроскопом, обеспечивая при этом защищенную и контролируемую среду для зародышеобразования.
Все начинается с комка всего из трех атомов железа, прикрепленного к стенке углеродной трубки. Затем в трубку добавляются дополнительные атомы железа. «Луч из просвечивающего электронного микроскопа не только обеспечивает изображения, но и стимулирует процесс зародышеобразования, передавая кинетическую энергию от электронов к атомам», - объясняют исследователи.
Эта установка позволила ученым впервые наблюдать рождение кристалла железа - с разрешением один кадр в секунду, практически в режиме реального времени.
От комка к решетке
Записи показали: когда атомы железа постепенно объединяются, образуя все более и более крупные скопления, сначала это происходит аморфно: атомы железа объединяются в неупорядоченный, метастабильный комок, в котором отдельные атомы могут перемещаться в любой момент. время. Только когда комок достигает определенного размера, его структура меняется с аморфной формы на кристаллическую решетку.
«Мы обнаружили, что атомы начинают выстраиваться в регулярную структуру решетки только при достижении критического числа от десяти до 20 атомов», - сообщает ведущий автор Кеченг Цао из Ульмского университета. Он и его коллеги наблюдали аналогичный процесс при зарождении золота и рения в их нанотрубке «пробирке». С этими металлами также сначала образовался сгусток аморфных атомов, который организовался только на втором этапе.
Зарождение происходит в две стадии
«Таким образом, мы смогли предоставить доказательства того, что зарождение кристаллов основано на двухстадийном механизме зародышеобразования», - говорит Цао. Таким образом, по крайней мере три наблюдаемых металла должны преодолеть два энергетических барьера, чтобы кристаллизоваться: первый при переходе от отдельных атомов к аморфному комку, второй при переходе к кристаллической решетке.
«Но это новаторское наблюдение не знаменует собой конец нашего исследования», - подчеркивает Кайзер. «Потому что с другими материалами могут быть другие процессы. Поэтому мы также хотим исследовать более сложные материалы, такие как металлические сплавы, на предмет их поведения при кристаллизации.“