Bildgebung im atomaren Maßstab zeigt einen einfachen Weg zur Kristallbildung

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Newswise — Was haben Wolken, Fernseher, Medikamente und sogar der Dreck unter unseren Füßen gemeinsam? Sie alle haben oder verwenden auf irgendeine Weise Kristalle. Kristalle sind mehr als nur ausgefallene Edelsteine. Wolken entstehen, wenn Wasserdampf in der Atmosphäre zu Eiskristallen kondensiert. Flüssigkristallanzeigen werden in einer Vielzahl von elektronischen Geräten verwendet, von Fernsehern bis hin zu Instrumententafeln. Die Kristallisation ist ein wichtiger Schritt für die Wirkstoffforschung und -reinigung. Kristalle bilden auch Steine ​​und andere Mineralien. Ihre entscheidende Rolle in der Umwelt ist ein Schwerpunkt von Materialwissenschaften und gesundheitswissenschaftliche Forschung.

Wissenschaftler müssen noch vollständig verstehen, wie Kristallisation abläuft, aber die Bedeutung von Oberflächen für die Förderung des Prozesses ist seit langem bekannt. Forschung aus Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), der University of Washington (UW) und der Durham University wirft ein neues Licht darauf, wie sich Kristalle an Oberflächen bilden. Ihre Ergebnisse waren veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte.

Frühere Studien zur Kristallisation führten Wissenschaftler dazu, die klassische Keimbildungstheorie zu formulieren – die vorherrschende Erklärung dafür, warum sich Kristalle zu bilden oder Keime zu bilden beginnen. Wenn Kristalle Keime bilden, beginnen sie als sehr kleine kurzlebige Cluster aus nur wenigen Atomen. Aufgrund ihrer geringen Größe sind die Cluster äußerst schwer zu erkennen. Wissenschaftlern ist es gelungen, nur wenige Bilder solcher Prozesse zu sammeln.

„Neue Technologien machen es möglich, den Kristallisationsprozess wie nie zuvor zu visualisieren“, sagte PNNL Abteilung Physikalische Wissenschaften Chemiker Ben Legg. Er hat sich zusammengetan PNNL Battelle Fellow und UW-Affiliate-Professor James De Yoreo genau das zu tun. Mit Hilfe von Professor Kislon Voitchovsky von der Durham University in England verwendeten sie eine Technik namens Rasterkraftmikroskopie, um die Keimbildung eines Aluminiumhydroxidminerals auf einer Glimmeroberfläche in Wasser zu beobachten.

Glimmer ist ein weit verbreitetes Mineral, das in allem zu finden ist, von Trockenbau bis hin zu Kosmetika. Es bietet oft eine Oberfläche für andere Mineralien, um Keime zu bilden und zu wachsen. Für diese Studie war das wichtigste Merkmal jedoch seine extrem flache Oberfläche, die es den Forschern ermöglichte, die Cluster aus wenigen Atomen zu erkennen, als sie sich auf dem Glimmer bildeten.

Was Legg und De Yoreo beobachteten, war ein Kristallisationsmuster, das von der klassischen Theorie nicht erwartet wurde. Anstelle eines seltenen Ereignisses, bei dem ein Atomcluster eine kritische Größe erreicht und dann über die Oberfläche wächst, sahen sie Tausende von schwankenden Clustern, die sich zu einem unerwarteten Muster mit Lücken verschmolzen, die zwischen kristallinen „Inseln“ bestehen blieben.

Nach sorgfältiger Analyse der Ergebnisse kamen die Forscher zu dem Schluss, dass, während bestimmte Aspekte der aktuellen Theorie zutrafen, ihr System letztendlich einem nichtklassischen Weg folgte. Sie führen dies auf elektrostatische Kräfte durch Ladungen auf der Glimmeroberfläche zurück. Da viele Arten von Materialien geladene Oberflächen im Wasser bilden, nehmen die Forscher an, dass sie ein weit verbreitetes Phänomen beobachtet haben, und freuen sich darauf, nach anderen Systemen zu suchen, in denen dieser nichtklassische Prozess auftreten könnte.

„Annahmen aus der klassischen Nukleationstheorie haben weitreichende Auswirkungen auf Disziplinen, die von der Materialwissenschaft bis zur Klimavorhersage reichen“, sagte De Yoreo. „Die Ergebnisse unserer Experimente können helfen, genauere Simulationen solcher Systeme zu erstellen.“

Diese Forschung am PNNL wurde vom Department of Energy (DOE), Basic Energy Sciences Program, Division of Materials Science and Engineering, Synthesis and Processing Science Program und einem DOE Office of Science Distinguished Scientist Fellows Award unterstützt; der UK Engineering and Physical Sciences Research Council unterstützte die Arbeit an der Durham University.

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