Oamenii de știință au descoperit o nouă modalitate de a privi în interiorul cristalelor: ScienceAlert

O nouă tehnică care produce modele 3D ale cristalelor individuale a deschis o fereastră pentru ca oamenii de știință să vadă abaterile subtile care apar în modelele lor perfecte.

Cercetătorii de la Universitatea din New York (NYU) s-au întors la planșa de desen cu privire la modul de a privi adânc în interiorul materialelor solide făcute din unități care se repetă și de a determina cum cresc acestea.

Cu o lungime de undă scurtă aproximativ de aceeași dimensiune cu multe unități care se repetă care alcătuiesc cristalele, razele X au permis oamenilor de știință de mult timp să deducă modul în care componentele unui cristal se potrivesc împreună, măsurând unghiul la care razele sunt deviate.

Cu toată ingeniozitatea sa, cristalografia cu raze X are limitările sale, care sunt destul de bine rezumate în fraza de început a unei noi lucrări publicate în Materiale naturale Luna aceasta: „Structurile de cristale moleculare sunt învățate folosind tehnici de împrăștiere, deoarece nu putem vedea ce se află în interiorul lor.”

Lucrarea descrie o nouă tehnologie care promite să schimbe în cele din urmă acest fapt, dar nu și pentru cristalele formate din unități repetate de atomi individuali.

În schimb, este vorba despre cristale formate din modele bazate pe… Particule coloidaleEste suficient de mare pentru a fi văzut la un microscop convențional și manipulat într-un mod care este imposibil pentru atomi.

Studiul unor astfel de cristale a permis progrese în înțelegerea dinamicii cristalelor. Cercetătorii citează experimente efectuate pe structuri coloidale care fac lumină asupra… formare Și dezvoltare Din tulburări în structurile cristaline.

La fel ca cristalografia cu raze X, această tehnică are limitări. Dificultățile în găsirea unor metode fiabile pentru imagistica cristalelor coloidale relativ complexe au însemnat că studiul lor până în prezent a fost în mare măsură limitat la structuri subțiri simple, constând dintr-o particulă cu o singură componentă.

În schimb, multe cristale la scară atomică sunt compuse din două sau mai multe elemente și formează structuri tridimensionale complexe.

Noua tehnică concepută de echipa NYU promite să permită studiul analogilor coloidali ai acestor rețele relativ complexe. Tehnica se bazează pe unele dintre lucrările anterioare ale echipei, în care au dezvoltat un proces numit „auto-asamblare coulombică redusă cu polimeri” sau PACS.

PACS folosește sarcinile electrice individuale ale particulelor coloidale pentru a le trage în rețele de cristal, permițând construcția fiabilă a dicristalelor coloidale – cristalele formate Prin particule formate din două tipuri diferite de particule În același mod în care cristalele de sare de masă se formează din sodiu și clor.

Noul studiu demonstrează eficacitatea însămânțării acestor particule coloidale individuale cu un colorant fluorescent pentru a distinge o specie de alta și, mai important, pentru a continua să facă acest lucru odată ce s-au format cristalele. Aceasta înseamnă că, în cele din urmă, oamenii de știință pot „privi în interiorul” unui cristal complet format și pot face observații directe ale măruntaielor sale.

Ca cercetători un raport„Suntem capabili să distingem toate particulele din interiorul cristalului ionic binar și să reconstruim întreaga structură internă 3D până la adâncimi de până la 200 de straturi.”

Echipa NYU raportează câteva descoperiri noi pe care le-a extras deja din observații.

Procesul cunoscut sub numele de „înfrățire”, în care două rețele de cristal sunt aliniate astfel încât să împartă părți componente de-a lungul unui plan comun, a fost mult timp de interes pentru oamenii de știință.

Cercetătorii descriu crearea de cristale coloidale care reproduc structurile cubice la nivel atomic ale mai multor minerale diferite: rețeaua alternantă de sodiu și clor menționată mai sus care formează sarea de masă; clorură de cesiu, în care opt atomi de clor formează o „cușcă” în jurul unui atom de cesiu; Un exemplu ceva mai exotic este aurecoprida, un compus din cupru și aur, în care fiecare față a unei rețele cubice de atomi de aur este intercalate cu un singur atom de cupru, ca o matriță în care fiecare față este una.

În fiecare caz, echipa a reușit să facă observații directe ale evoluției cristalelor duble, oferind astfel o observație experimentală directă a modului în care apar aceste structuri.

„Această observație directă dezvăluie fără ambiguitate complexitățile interne ale structurii cristaline și elucidează relația dintre interacțiunile particulelor și forma cristalului macroscopic, inclusiv aspectul și efectul defectelor și al înfrățirii”, au spus cercetătorii. un raport.

Grupul aspiră să descopere secretele cristalelor, la mai bine de 100 de ani de la descoperirea razelor X, care au oferit umanității primul indiciu asupra complexității structurii cristaline.

Cercetarea a fost publicată în Materiale naturale.