Исследовательская группа из Института промышленных наук Токийского университета и Университета Фудань во главе с Хадзимэ Танака и Пэн Таном использовала каплю коллоида – дисперсию жидких частиц в другой жидкости, например в молоке – в качестве модели для отдельных атомов. или молекулы в сфере. В отличие от отдельных атомов или молекул, которые слишком малы, чтобы их можно было легко наблюдать, коллоидные частицы были достаточно большими, чтобы их можно было визуализировать с помощью микроскопа. Это позволило исследователям отслеживать упорядочение отдельных частиц в режиме реального времени во время кристаллизации.
«Мы визуализировали процесс организации коллоидных частиц в множество капель в различных условиях, чтобы представить картину процесса кристаллизации в сфере», – говорит Тан.
Основываясь на своих наблюдениях, команда предположила, что процесс кристаллизации включает три стадии: начальное упорядочение на поверхности «кожицы» капли, зарождение и рост ядра капли, а затем медленное созревание всей структуры.
Во-первых, пленка, состоящая из одного слоя упорядоченных коллоидных частиц, быстро образующихся на поверхности капли. Затем в ядре капли, вдали от кристаллизованной корки, произошла кристаллизация. Конкуренция между кристаллизацией в этих двух областях контролировала структуру конечного кристалла.
Исследователи обнаружили, что «мягкие» (дальнодействующие) взаимодействия между отрицательно заряженными коллоидными частицами влияют на их организацию и результирующую кристаллическую структуру.
В этих мягких взаимодействиях преобладает кинетика, то есть взаимодействия, которые образуют самые быстрые, а не те, которые используют наименьшую энергию для создания термодинамически стабильной структуры, что свидетельствует о том, что кинетика играет важную роль в кристаллизации в ограниченном пространстве. Уже было известно, что термодинамика вносит большой вклад в окончательную структуру кристаллов.
Выводы команды подтвердили, что кинетика также является неотъемлемой частью наших знаний о кристаллизации в ограниченном пространстве.
«Это исследование углубляет наше понимание процесса кристаллизации в геометрически ограниченных системах, подводя исследователей на один шаг ближе к достижению контролируемого роста кристаллов в очень малых масштабах», – поясняет Танака.
Детальное знание процесса формирования кристаллов в замкнутых системах может позволить получить кристаллы с заданной структурой, например наночастицы для конкретных приложений электроники, что даст исследователям больше возможностей контролировать структуру и, следовательно, свойства ценных материалов.