Автор AZoNano 18 февраля 2021

Когда материалы достигают чрезвычайно малых размеров, начинают происходить странные вещи. Одним из таких явлений является образование мезокристаллов.

Несмотря на то, что они состоят из отдельных отдельных кристаллов, мезокристаллы объединяются, образуя более крупную сплавленную структуру, которая ведет себя как чистый монокристалл. Однако эти процессы происходят в масштабах, слишком малых для человеческого глаза, и их создание чрезвычайно сложно наблюдать.

Из-за этих проблем ученые не смогли точно подтвердить, как формируются мезокристаллы.

В новом исследовании, проведенном командой Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL), использовались передовые методы просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ), чтобы увидеть, как мезокристаллы образуются в растворе в реальном времени. То, что они увидели, противоречит общепринятым представлениям, и их идеи однажды могут помочь ученым разработать материалы для хранения энергии и понять, как минералы образуются в почве.

Вместо зарождения отдельных кристаллов, этапа, на котором начинается формирование кристаллов, а затем случайной агрегации в мезокристаллы в два несвязанных этапа, исследователи заметили, что зарождение и прикрепление были тесно связаны в формировании этих очень однородных структур. Исследователи сообщили о своей работе в выпуске Nature от 18 февраля 2021 г.

.

«Наши результаты определяют новый важный путь кристаллизации за счет прикрепления частиц и решают ключевые вопросы о формировании мезокристаллов», – сказал специалист по материалам из PNNL и Вашингтонского университета Гуомин Чжу. Он был частью исследовательской группы, возглавляемой Джимом Де Йорео, ученым-материаловедом PNNL и содиректором Северо-Западного института физики материалов, химии и технологий. «Мы подозреваем, что это широко распространенное явление со значительными последствиями как для синтеза разработанных наноматериалов, так и для понимания естественной минерализации», – добавил Чжу.

Наблюдение за кристаллизацией в реальном времени

На реализацию проекта ушли годы и потребовалось серьезное решение проблем. Для микроскопических экспериментов научная группа выбрала модельную систему, которая включала гематит, соединение железа, обычно обнаруживаемое в земной коре, и оксалат, естественное изобилие в почве.

Они визуализировали процесс с помощью in situ TEM, который дает исследователям возможность видеть кристаллизацию в нанометровом масштабе, как она происходит. Они объединили этот метод в реальном времени с ПЭМ «заморозить и посмотреть», что позволило им проследить за отдельным кристаллом в разных точках во время роста. Теоретические расчеты помогли завершить картину, позволив команде PNNL понять, как росли мезокристаллы.

Исследователи обычно проводят большинство экспериментов с ПЭМ на месте при комнатной температуре, чтобы упростить экспериментальную установку и минимизировать вероятность повреждения чувствительного инструмента, но формирование мезокристаллов, достаточно быстрое для наблюдения, происходит при температуре около 80 ° C.

«Дополнительное оборудование, используемое для нагрева образцов, сделало эксперименты чрезвычайно сложными, но мы знали, что данные будут ключом к пониманию того, как формировались мезокристаллы», – сказал Чжу.

После нагревания новые нанокристаллы гематита позволяют им быстро соединяться друг с другом, что в среднем приводит к конечным мезокристаллам примерно одинакового размера и формы.

Мезокристаллы в природе

Химическим ключом к этому быстрому и надежному прикреплению являются молекулы оксалата, присутствующие в растворе. После образования первых нескольких небольших кристаллов оксалатные добавки помогают создать химический градиент на границе раздела жидкости и растущего кристалла. Рядом с кристаллами остается больше химических компонентов, необходимых для зародышеобразования частиц, что резко увеличивает вероятность образования новых частиц рядом с существующими.

Хотя этот путь роста кристаллов наблюдался в контролируемых условиях в очень малых масштабах, по мнению исследователей, он, вероятно, также происходит в естественных системах. Некоторые месторождения полезных ископаемых, в том числе австралийское месторождение гематита, содержат мезокристаллы. Учитывая естественное изобилие оксалата и наблюдение группы PNNL о том, что гематит может превращаться в мезокристаллы при температурах до 40 ° C, кажется правдоподобным, что этот путь образования происходит в природе.

Поскольку мезокристаллы встречаются повсюду в природе, полученные данные могут быть применены, среди прочего, для понимания круговорота питательных веществ в окружающей среде. Более того, путь к созданию почти однородных сложных структур требует понимания того, как работают методы формирования таких материалов и как ими управлять. Таким образом, эта работа, поддержанная Министерством энергетики США, Управлением науки, Управлением фундаментальных энергетических наук, Отделом химических наук, наук о Земле и биологических наук, открывает новые возможности для преднамеренного создания мезокристаллов или мезокристаллических материалов.

Получение изображений с высоким разрешением и моделирование были выполнены в EMSL, Лаборатории экологических и молекулярных наук, Научно-исследовательском центре Министерства энергетики США, расположенном в PNNL. Помимо Чжу и Де Йорео, в этой работе представлены материалы исследователей PNNL Марии Сушко, Джона Лоринга, Бенджамина Легга, Мяо Сон, Дженнифер Солтис, Сяопэн Хуанга и Кевина Россо.

Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория использует уникальные возможности в области химии, наук о Земле и анализа данных, чтобы продвигать научные открытия и находить решения для самых сложных национальных проблем в области обеспечения энергоэффективности и национальной безопасности. Основанная в 1965 году, PNNL управляется Battelle для Управления науки Министерства энергетики США. Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из наиболее насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите Центр новостей PNNL. Следуйте за нами в Facebook, LinkedIn, Twitter и Instagram.

Источник: http://www.pnnl.gov