Автор AZoNano 26 марта 2021 года

Обычно при выращивании кристаллов атомы сначала объединяются в крошечные кластеры. Этот процесс называется зародышеобразованием.

Однако точное понимание того, как это атомное упорядочение происходит из хаоса произвольно движущихся атомов, долгое время ускользало от исследователей.

Согласно традиционной теории зародышеобразования, кристаллы создают по одному атому за раз, последовательно повышая уровень порядка. Новые анализы также отметили двухэтапный процесс зародышеобразования, в котором сначала формируется высокоэнергетическая переходная структура, а затем эта структура трансформируется в стабильный кристалл.

Однако, по мнению международной исследовательской группы, совместно возглавляемой Национальной лабораторией Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики, реальная история намного сложнее.

Результаты исследователей теперь показали, что вместо того, чтобы группироваться вместе последовательным образом или обеспечивать единый необратимый переход, атомы золота скорее организуются сами по себе, расщепляются, перегруппируются и впоследствии реорганизуются несколько раз, прежде чем принять упорядоченное и упорядоченное состояние. стабильный кристалл. Результаты исследования были недавно опубликованы в журнале Science .

Впервые исследователи смогли наблюдать этот быстрый и обратимый процесс зародышеобразования с помощью сложного электронного микроскопа. Их исследование предлагает конкретное понимание ранних фаз нескольких процессов роста, таких как образование наночастиц и осаждение тонких пленок.

Поскольку ученые стремятся управлять материей на меньших масштабах для производства новых материалов и устройств, это исследование помогает нам понять, как именно образуются некоторые кристаллы .

Питер Эрсиус, со-ведущий автор исследования и научный сотрудник, Молекулярное литейное производство, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли

В соответствии с традиционным пониманием команды, как только кристаллы достигают определенного размера, они не возвращаются в нестабильное, неупорядоченное состояние.

Вон Чул Ли, один из профессоров, руководивших исследованием, объяснил это явление следующим образом: если каждый атом визуализировать как кирпичик Lego, то вместо того, чтобы строить дом, используя один кирпич за раз, кирпичи постоянно соединяются и снова разделитесь, пока они не станут достаточно сильными, чтобы оставаться вместе. Но после того, как фундамент установлен, можно добавить дополнительные кирпичи, не нарушая общей конструкции.

В этом случае команда могла визуализировать только нестабильные структуры из-за скорости недавно разработанных детекторов на TEAM I – одном из самых надежных электронных микроскопов в мире. Эксперименты проводились под руководством группы экспертов из Национального центра электронной микроскопии в Молекулярной литейной лаборатории Беркли

Исследователи использовали микроскоп TEAM I и записали живые изображения с атомным разрешением со скоростью до 625 кадров в секунду, что довольно быстро для электронной микроскопии и примерно в 100 раз быстрее, чем предыдущие анализы.

Отдельные атомы золота наблюдались по мере того, как они превращались в кристаллы, распадались на отдельные атомы и впоследствии неоднократно преобразовывались в различные кристаллические конфигурации перед окончательной стабилизацией.

Более медленные наблюдения пропустили бы этот очень быстрый, обратимый процесс и просто увидели бы размытие вместо переходов, что объясняет, почему такое поведение зародышеобразования никогда не наблюдалось раньше .

Питер Эрсиус, со-ведущий автор исследования и научный сотрудник, Молекулярное литейное производство, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли

Обоснование этого обратимого явления состоит в том, что образование кристаллов является экзотермическим процессом, другими словами, оно выделяет энергию. Фактически, точная энергия, выделяемая, когда атомы связываются с маленькими ядрами, может увеличить локальную «температуру» и, таким образом, расплавить кристалл.

Таким образом, предварительный процесс формирования кристаллов работает против самого себя, несколько раз меняясь между беспорядком и порядком, прежде чем построить ядро, достаточно стабильное, чтобы выдерживать высокую температуру.

Чтобы подтвердить это понимание своих экспериментальных наблюдений, исследователи выполнили расчеты реакций связывания между нанокристаллом и гипотетическим атомом золота.

Ученые сейчас разрабатывают детекторы, которые относительно быстры и, возможно, могут быть использованы для регистрации процесса на более высоких скоростях. Такой подход может помочь им выяснить, есть ли дополнительные характеристики зародышеобразования, скрытые в атомном хаосе.

Исследователи также надеются обнаружить аналогичные переходы в различных атомных системах, чтобы выяснить, отражает ли это последнее открытие общий процесс нуклеации.

С научной точки зрения мы открыли новый принцип процесса зарождения кристаллов и доказали его экспериментально .

Чонвон Пак, ведущий автор исследования, Сеульский национальный университет

Лаборатория Беркли возглавила совместное исследование совместно с Южнокорейским университетом Ханян, Сеульским национальным университетом и Институтом фундаментальных наук.

Молекулярный литейный завод является пользовательским объектом Управления науки Министерства энергетики США.

Исследование в основном финансировалось Национальным исследовательским фондом Кореи. Исследовательская работа в Molecular Foundry финансировалась Министерством энергетики США, Управлением науки, Управлением фундаментальных энергетических наук.

Дополнительное финансирование предоставили Институт фундаментальных наук (Корея), Национальный научный фонд США и Samsung Science and Technology Foundation.

Ученые и сотрудники лаборатории Беркли воспользовались преимуществами одного из лучших микроскопов в мире – электронного микроскопа TEAM I в Molecular Foundry – чтобы наблюдать, как отдельные атомы золота организуются в кристаллы на поверхности графена. . Команда исследователей наблюдала, как группы атомов золота образовывались и распадались много раз, пробуя разные конфигурации, прежде чем окончательно стабилизировались. Автор видео: Национальная лаборатория Лоуренса Беркли.

Ссылка на журнал:

Jeon, S., и др. . (2021) Обратимые переходы беспорядок-порядок при зарождении атомных кристаллов. Наука. doi.org/10.1126/science.aaz7555.

Источник: https://newscenter.lbl.gov/