Вчені знайшли новий спосіб зазирнути всередину кристалів

Нова техніка, яка створює 3D-моделі окремих кристалів, відкрила для вчених вікно, щоб побачити тонкі відхилення, які виникають у їхніх інакше ідеальних візерунках. Дослідники з Нью-Йоркського університету (NYU) повернулися до креслярської дошки, щоб зазирнути глибоко всередину твердих тіл, що складаються з повторюваних частин, і визначити, як вони ростуть.

Завдяки короткій довжині хвилі приблизно такого ж розміру, як багато повторюваних одиниць, що утворюють кристали, рентгенівські промені вже давно дозволяють вченим зробити висновок про те, як компоненти кристала підходять один до одного, вимірюючи кут, під яким дифрагують промені.

Однак, незважаючи на всю свою винахідливість, рентгенівська кристалографія має свої межі, які досить акуратно підсумовує початкове речення нової статті, опублікованої цього місяця в Nature Materials: «Структури молекулярних кристалів ідентифікуються за допомогою методів розсіювання, оскільки ми не можемо бачити всередині них».

У документі описується нова техніка, яка обіцяє нарешті змінити цей факт – хоча й не для кристалів, що складаються з повторюваних одиниць окремих атомів.

Замість цього йдеться про кристали, що складаються з візерунків на основі колоїдних частинок, які достатньо великі, щоб їх можна було побачити під звичайним мікроскопом і маніпулювати ними таким чином, який був би неможливий для атомів.

Вивчення таких кристалів дозволило досягти прогресу в розумінні динаміки кристалів. Дослідники посилаються на експерименти з колоїдними структурами, які проливають світло на формування та еволюцію дислокацій у кристалічних структурах.

Як і рентгенівська кристалографія, цей метод має обмеження. Труднощі в пошуку надійних способів зображення відносно складних колоїдних кристалів означали, що їх дослідження досі в основному обмежувалися тонкими простими структурами, утвореними з однієї складової частинки. Багато атомних кристалів, навпаки, складаються з двох або більше елементів і утворюють складні тривимірні структури.

Нова методика, запроваджена командою NYU, обіцяє дозволити вивчення колоїдних аналогів цих відносно складних решіток. Ця техніка базується на деяких попередніх роботах команди, в ході яких вони розробили процес під назвою «кулонівська самозбірка з ослабленим полімером» або PACS.

PACS використовує електричні заряди окремих колоїдних частинок, щоб втягнути їх у кристалічні решітки, дозволяючи надійно побудувати бінарні колоїдні кристали – кристали, утворені молекулами, що складаються з двох різних видів частинок, так само як, скажімо, утворюються кристали кухонної солі. з натрію і хлору.

Нове дослідження демонструє ефективність засівання цих окремих колоїдних частинок флуоресцентним барвником, щоб відрізнити один вид від іншого – і, що важливо, продовжує це робити, коли вони утворюють кристали. Це означає, що нарешті вчені можуть «заглянути всередину» повністю сформованого кристала та провести прямі спостереження за його нутрощами.

Як повідомляють дослідники, «ми можемо розрізнити всі частинки в бінарному іонному кристалі та реконструювати повну внутрішню 3D-структуру на глибину ~200 шарів». Команда Нью-Йоркського університету повідомляє про кілька нових знахідок, які вони вже отримали зі спостережень. Процес, відомий як «побратимство», коли решітки двох кристалів вирівнюються таким чином, що вони поділяють складові частини вздовж спільної площини, давно цікавить вчених.

Дослідники описують створення колоїдних кристалів, які відтворюють кубічні структури в атомному масштабі кількох різних мінералів: вищезгадану змінну решітку натрію та хлору, яка утворює кухонну сіль; хлорид цезію, де вісім атомів хлору утворюють «клітку» навколо одного атома цезію; і дещо більш екзотичний приклад аурікуприду, сполуки міді та золота, де кожна грань кубічної решітки атомів золота помічена одним атомом міді, як кубик, де кожна грань є єдиною.

У кожному випадку команда мала можливість проводити прямі спостереження за еволюцією подвійних кристалів, таким чином забезпечуючи пряме експериментальне спостереження за тим, як виникають такі структури.

«Це пряме спостереження однозначно розгадує внутрішні тонкощі кристалічної структури, з’ясовуючи зв’язок між взаємодією частинок і макроскопічною кристалічною формою, включаючи появу та вплив дефектів і двійників», — повідомляють дослідники.

Група з нетерпінням чекає розгадки таємниць кристалів, більш ніж через 100 років після відкриття рентгенівського випромінювання, яке дало людству перший натяк на тонкощі кристалічної структури.