Naukowcy odkryli nowy sposób zaglądania do wnętrza kryształów: ScienceAlert

Nowa technika tworzenia modeli 3D poszczególnych kryształów otworzyła przed naukowcami możliwość dostrzeżenia subtelnych odchyleń pojawiających się w ich doskonałych wzorach.

Naukowcy z New York University (NYU) wrócili do deski kreślarskiej, aby dowiedzieć się, jak zajrzeć głęboko do materiałów stałych składających się z powtarzających się jednostek i określić, w jaki sposób rosną.

Przy krótkiej długości fali, mniej więcej tej samej wielkości, co wiele powtarzających się jednostek tworzących kryształy, promieniowanie rentgenowskie od dawna pozwala naukowcom wnioskować, w jaki sposób składniki kryształu pasują do siebie, mierząc kąt, pod jakim promienie są odchylane.

Mimo całej swojej pomysłowości krystalografia rentgenowska ma swoje ograniczenia, które dość zgrabnie podsumowano w pierwszym zdaniu nowego artykułu opublikowanego w Materiały natury W tym miesiącu: „Struktury kryształów molekularnych uczymy się za pomocą technik rozpraszania, ponieważ nie możemy zobaczyć, co jest w nich”.

W artykule opisano nową technologię, która obiecuje ostatecznie zmienić ten fakt, ale nie w przypadku kryształów składających się z powtarzających się jednostek pojedynczych atomów.

Zamiast tego chodzi o kryształy złożone z wzorów opartych na… Cząstki koloidalneJest na tyle duży, że można go zobaczyć pod konwencjonalnym mikroskopem i obchodzić się z nim w sposób niemożliwy dla atomów.

Badanie takich kryształów umożliwiło postęp w zrozumieniu dynamiki kryształów. Naukowcy cytują eksperymenty przeprowadzone na strukturach koloidalnych, które rzucają światło na… tworzenie I rozwój Z zaburzeń w strukturach krystalicznych.

Podobnie jak krystalografia rentgenowska, technika ta ma ograniczenia. Trudności w znalezieniu wiarygodnych metod obrazowania stosunkowo złożonych kryształów koloidalnych spowodowały, że dotychczasowe badania w dużej mierze ograniczały się do cienkich, prostych struktur składających się z jednoskładnikowej cząstki.

Natomiast wiele kryształów w skali atomowej składa się z dwóch lub więcej pierwiastków i tworzy złożone trójwymiarowe struktury.

Nowa technika opracowana przez zespół z Uniwersytetu Nowojorskiego może umożliwić badanie koloidalnych analogów tych stosunkowo złożonych sieci. Technika ta opiera się na niektórych wcześniejszych pracach zespołu, podczas których opracowano proces zwany „samoorganizacją kulombowską o zmniejszonej zawartości polimerów” (PACS).

PACS wykorzystuje indywidualne ładunki elektryczne cząstek koloidalnych do wciągania ich w sieci krystaliczne, umożliwiając niezawodną konstrukcję dikryształów koloidalnych – powstałych kryształów Przez cząstki składające się z dwóch różnych rodzajów cząstek W ten sam sposób, w jaki kryształy soli kuchennej powstają z sodu i chloru.

Nowe badanie pokazuje skuteczność zaszczepiania tych pojedynczych cząstek koloidalnych barwnikiem fluorescencyjnym w celu odróżnienia jednego gatunku od drugiego i, co ważniejsze, kontynuowania tego po utworzeniu kryształów. Oznacza to, że w końcu naukowcy mogą „zajrzeć do środka” w pełni uformowanego kryształu i dokonać bezpośrednich obserwacji jego wnętrz.

Jako badacze raport„Jesteśmy w stanie rozróżnić wszystkie cząstki wewnątrz podwójnego kryształu jonowego i zrekonstruować całą wewnętrzną strukturę 3D aż do głębokości 200 warstw”.

Zespół z Uniwersytetu Nowojorskiego zgłasza kilka nowych wniosków, które wyciągnął już z obserwacji.

Proces znany jako „bliźniakowanie”, w którym dwie sieci krystaliczne są ustawione w taki sposób, że mają wspólne części składowe na wspólnej płaszczyźnie, od dawna interesuje naukowców.

Naukowcy opisują powstawanie kryształów koloidalnych, które odtwarzają sześcienne struktury na poziomie atomowym kilku różnych minerałów: wspomniana naprzemienna sieć sodu i chloru tworząca sól kuchenną; chlorek cezu, w którym osiem atomów chloru tworzy „klatkę” wokół jednego atomu cezu; Nieco bardziej egzotycznym przykładem jest aurekopryd, związek miedzi i złota, w którym każda ściana sześciennej siatki atomów złota jest przeplatana pojedynczym atomem miedzi, jak matryca, w której każda ściana jest jedna.

W każdym przypadku zespołowi udało się dokonać bezpośrednich obserwacji ewolucji podwójnych kryształów, zapewniając w ten sposób bezpośrednią obserwację eksperymentalną powstawania tych struktur.

„Ta bezpośrednia obserwacja jednoznacznie ujawnia wewnętrzną złożoność struktury kryształu i wyjaśnia związek między interakcjami cząstek a makroskopową formą kryształu, w tym występowaniem i efektem defektów oraz bliźniactwa” – twierdzą naukowcy. raport.

Grupa aspiruje do odkrycia tajemnic kryształów ponad 100 lat po odkryciu promieni rentgenowskich, które dostarczyły ludzkości pierwszej wskazówki na temat złożoności struktury krystalicznej.

Badanie zostało opublikowane w Materiały natury.