Ученые открыли новый способ заглянуть внутрь кристаллов
Новая технология, позволяющая создавать 3D-модели отдельных кристаллов, открыла ученым возможность увидеть тонкие отклонения, возникающие в их идеальных структурах.
Исследователи из Нью-Йоркского университета (NYU) вернулись к чертежной доске, чтобы узнать, как заглянуть глубоко внутрь твердых тел, состоящих из повторяющихся единиц, и определить, как они растут.
Имея короткую длину волны, примерно такого же размера, как многие повторяющиеся единицы, из которых состоят кристаллы, рентгеновские лучи уже давно позволяют ученым делать выводы о том, как компоненты кристалла сочетаются друг с другом, измеряя угол, под которым лучи дифрагируются.
Однако, несмотря на всю свою изобретательность, рентгеновская кристаллография имеет свои ограничения, которые довольно четко суммированы в первом предложении новой статьи, опубликованной в журнале Nature Materials: «Структуры молекулярных кристаллов идентифицируются с использованием методов рассеяния, потому что мы не можем видеть внутри них».
В статье описывается новая технология, которая обещает окончательно изменить этот факт – хотя и не для кристаллов, состоящих из повторяющихся единиц отдельных атомов.
Вместо этого речь идет о кристаллах, состоящих из структур, основанных на коллоидных частицах, которые достаточно велики, чтобы их можно было увидеть под обычным микроскопом и манипулировать ими так, как это было бы невозможно для атомов.
Изучение таких кристаллов позволило добиться прогресса в понимании динамики кристаллов. Исследователи ссылаются на эксперименты с коллоидными структурами, которые проливают свет на формирование и эволюцию дислокаций внутри кристаллических структур.
Как и рентгеновская кристаллография, этот метод имеет ограничения. Трудности в поиске надежных способов изображения относительно сложных коллоидных кристаллов привели к тому, что их исследования до сих пор в основном ограничивались тонкими, простыми структурами, образованными из одной составляющей частицы.
Многие кристаллы атомного масштаба, напротив, состоят из двух или более элементов и образуют сложные трехмерные структуры.
Новая методика, впервые разработанная командой Нью-Йоркского университета, обещает позволить изучить коллоидные аналоги этих относительно сложных решеток. Этот метод основан на некоторых предыдущих работах команды, в которых они разработали процесс, называемый «кулоновская самосборка с ослаблением полимера» или PACS.
PACS использует электрические заряды отдельных коллоидных частиц для объединения их в кристаллические решетки, что позволяет надежно создавать бинарные коллоидные кристаллы – кристаллы, образованные молекулами, состоящими из двух разных видов частиц, таким же образом, как образуются, скажем, кристаллы поваренной соли. от натрия и хлора.
Новое исследование демонстрирует эффективность внесения в эти отдельные коллоидные частицы флуоресцентного красителя, чтобы отличить один вид от другого – и, что особенно важно, продолжает делать это после того, как они сформировали кристаллы. Это означает, что, наконец, учёные смогут «заглянуть внутрь» полностью сформированного кристалла и провести прямые наблюдения за его внутренностями.
Как сообщают исследователи: «Мы можем различать все частицы внутри бинарного ионного кристалла и реконструировать полную внутреннюю трехмерную структуру на глубине примерно 200 слоев».
Команда Нью-Йоркского университета сообщает о нескольких новых открытиях, которые они уже получили в результате наблюдений.
Процесс, известный как «двойникование», когда решетки двух кристаллов выравниваются таким образом, что части их компонентов располагаются в общей плоскости, уже давно интересует ученых.
Исследователи описывают создание коллоидных кристаллов, которые воспроизводят кубические структуры атомного масштаба нескольких различных минералов: вышеупомянутую чередующуюся решетку натрия и хлора, которая образует поваренную соль; хлорид цезия, где восемь атомов хлора образуют «клетку» вокруг одного атома цезия; и несколько более экзотический пример аурикуприда, соединения меди и золота, где каждая грань кубической решетки атомов золота усеяна одним атомом меди, подобно игральной кости, где каждая грань равна единице.
В каждом случае команде удалось провести прямые наблюдения за эволюцией двойниковых кристаллов, тем самым обеспечив прямое экспериментальное наблюдение того, как возникают такие структуры.
«Это прямое наблюдение однозначно раскрывает внутренние тонкости кристаллической структуры, объясняя взаимосвязь между взаимодействиями частиц и макроскопической формой кристалла, включая возникновение и влияние дефектов и двойников», — сообщают исследователи.
Группа с нетерпением ждет разгадки тайн кристаллов, спустя более 100 лет после того, как открытие рентгеновских лучей позволило человечеству получить первый намек на тонкости кристаллической структуры.
Обсудим?
Смотрите также:
