Работа имеет множество применений как в области открытий, так и в прикладной науке. Помимо понимания образования минералов и полупроводниковых наноматериалов, он также может помочь ученым понять, как почва расширяется и сжимается в результате циклов увлажнения и высыхания. В прикладной сфере исследователи могут использовать эти принципы для разработки новых материалов с уникальными свойствами для удовлетворения энергетических потребностей.
Результаты, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences в июле, описывают, как расположение атомов в кристаллах создает силы, которые стягивают их вместе и выравнивают для стыковки. Исследование показывает, как притяжение становится сильнее или слабее при нагревании воды или добавлении соли, и то и другое является обычным процессом в мире природы.
Многонациональная команда, возглавляемая химиками Донгшенг Ли и Джехун Чун из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики, исследовала силы притяжения между двумя кристаллическими частицами, сделанными из слюды. Хлопьевидный минерал, который обычно используется в электроизоляции, этот минерал на основе кремния хорошо изучен, и с ним легко работать, потому что он скалывается плоскими кусками с почти идеальной кристаллической поверхностью.Силы и лица
Кристаллизация часто происходит путем сборки многогранных строительных блоков: некоторые грани этих более мелких кристаллов лучше сочетаются с другими, как это делают блоки Lego. Ли и Чун изучали особый процесс кристаллизации, называемый ориентированной привязкой. Среди других отличительных характеристик ориентированное прикрепление происходит, когда более мелкие субъединицы молодых кристаллов выравнивают свои наиболее подходящие грани перед щелчком вместе.
В процессе создаются различные нелинейные формы: нанопроволоки с ветвями, решетки, похожие на сложные соты, и четвероногие — крошечные структуры, похожие на четырехручные игрушечные домкраты. Молекулярные силы, которые способствуют этой самосборке, не совсем понятны.
Молекулярные силы, которые вступают в игру, могут притягивать или отталкивать крошечные кристаллические строительные блоки друг от друга. К ним относятся, среди прочего, множество описанных в учебниках сил, таких как Ван-дер-Ваальс, водородная связь и электростатика.Чтобы исследовать силы, Ли, Чун и его коллеги фрезеровали плоские грани крошечных пластинок слюды и поместили их на устройство, которое измеряет притяжение между двумя частями.
Затем измерили притяжение, скручивая грани друг относительно друга. Эксперимент позволил слюду окунуться в жидкость, содержащую различные соли, что позволило им протестировать реальные сценарии.
Отличие этой работы заключалось в жидкостной установке. Аналогичные эксперименты других исследователей были проведены всухую в вакууме; в этой работе жидкость создавала условия, которые лучше имитируют процесс образования настоящих кристаллов в природе и в крупных промышленных методах. Команда выполнила некоторые из этих экспериментов в EMSL, Лаборатории молекулярных наук об окружающей среде, Научно-исследовательском центре Министерства энергетики США в PNNL.
Твист и сольОдна из первых вещей, которые команда обнаружила, заключалась в том, что притяжение между двумя кусочками слюды повышалось и опускалось, когда грани скручивались относительно друг друга, как при попытке сделать бутерброд из двух плоских магнитов на холодильник (продолжайте, попробуйте).
Фактически, притяжение поднималось и опускалось каждые 60 градусов, что соответствовало внутренней архитектуре минерала, которая почти шестиугольная, как сотовая ячейка.
Хотя другие исследователи более десяти лет назад предсказывали, что это циклическое притяжение произойдет, ученые впервые измерили силы. Знание силы сил является ключом к управлению кристаллизацией в исследовательских или промышленных условиях.Но в слюдяном противостоянии гудело и другое. Между двумя поверхностями в жидкой среде находятся электрически заряженные ионы солей, нормальных элементов, обнаруживаемых во время кристаллизации в природе.
Вода и ионы образовывали довольно устойчивый слой между поверхностями, который частично разделял их. И когда они двигались друг к другу, две поверхности слюды остановились, балансируя между молекулярным притяжением и отталкиванием водой и ионами.Команда также обнаружила, что они могут управлять силой этого притяжения, изменяя тип ионов, их концентрацию и температуру. Различные типы ионов и их концентрации изменяли электростатическое отталкивание между поверхностями слюды.
Размер ионов и то, сколько зарядов они несут, также создавали большее или меньшее пространство внутри мешающего слоя.Наконец, более высокие температуры увеличивают силу притяжения, в отличие от того, как температура ведет себя в более простых и менее сложных сценариях. Исследователи построили модель конкурирующих сил, которая включала силы Ван-дер-Ваальса, электростатические силы и силы гидратации.
Исследователи говорят, что в будущем принципы, почерпнутые из этого исследования, могут быть применены к другим материалам, которые будут рассчитаны для интересующего материала. Например, манипулирование притяжением может позволить исследователям создавать кристаллы желаемых размеров и форм с уникальными свойствами.
В целом, работа дает представление о росте кристаллов посредством сборки наночастиц в синтетических, биологических и геохимических средах.