Вчені виявили раніше не бачений порожнистий кристал

Знайомтесь із «Зангенітом» — порожнистою кристалічною структурою, названою на честь аспіранта Нью-Йоркського університету, який її відкрив. Кристали, незалежно від того, чи містяться вони в цукрі, кухонній солі, сніжинках чи діамантах, не завжди ростуть простим або передбачуваним чином. Дослідники з Нью-Йоркського університету задокументували перетворення аморфної краплі на організовану структуру в новому дослідженні, опублікованому в Nature Communications.

Досліджуючи утворення кристалів, дослідники виявили незвичайний стрижнеподібний кристал, який раніше не був ідентифікований. Вони назвали його «Зангенітом» на честь аспіранта Нью-Йоркського університету, який зробив це відкриття.

Порядок з хаосу

Кристали – це тверді речовини, що складаються з частинок, які розташовуються у повторювані візерунки. Цей процес самоорганізації, який дослідники описують як «оркестрування порядку з хаосу», колись вважався таким, що відповідає простій класичній моделі росту. Однак зараз вчені виявляють, що ріст кристалів може відбуватися складнішими та різноманітнішими шляхами.

Для вивчення утворення кристалів деякі дослідники використовують кристали, що складаються з маленьких сфер, які називаються колоїдними частинками, що є крихітними, але набагато більшими за атоми, з яких складаються інші кристали.

«Перевага вивчення колоїдних частинок полягає в тому, що ми можемо спостерігати процеси кристалізації на рівні окремих частинок, що дуже важко зробити з атомами, оскільки вони занадто малі та швидкі. З колоїдами ми можемо спостерігати за утворенням кристалів за допомогою нашого мікроскопа», – сказав Стефано Саканна, професор хімії Нью-Йоркського університету.

Двоетапний процес

Щоб пролити світло на те, як утворюються колоїдні кристали, дослідники провели експерименти, щоб ретельно спостерігати за поведінкою заряджених колоїдних частинок у різних умовах росту під час переходу від суспензій у солоній воді до повністю сформованих кристалів. Команда також провела тисячі комп’ютерних симуляцій під керівництвом Глена Хокі, доцента кафедри хімії Нью-Йоркського університету, щоб змоделювати, як ростуть кристали, і допомогти пояснити те, що вони спостерігали в експериментах.

Дослідники визначили, що колоїдні кристали утворюються двостадійним процесом: аморфні краплі частинок спочатку конденсуються, а потім перетворюються на впорядковані кристалічні структури, що призводить до різноманітного спектру типів і форм кристалів.

Несподівана знахідка

Під час цих експериментів аспірант Шихао Занг натрапив на стрижнеподібний кристал, який він не зміг ідентифікувати. Неозброєним оком він виглядав як кристал, раніше відкритий у лабораторії, але при детальнішому розгляді комбінація частинок була іншою, а кінчики цього кристала містили порожнисті канали. Занг порівняв невідому структуру з більш ніж тисячею кристалів, знайдених у природному світі, і все одно не зміг знайти відповідності.

Звертаючись до комп’ютерного моделювання Хокі, дослідники змоделювали кристал, який був точно таким самим, що дозволило їм ще детальніше вивчити його витягнуту, порожнисту форму.

«Це було дивно, оскільки зазвичай кристали щільні, але цей мав порожні канали, що проходили вздовж усієї довжини кристала», — сказав Хокі, який також є викладачем Центру обчислювальної фізичної хімії Саймонса в Нью-Йоркському університеті.

«Завдяки цій синергії експериментів та моделювання ми зрозуміли, що така кристалічна структура ніколи раніше не спостерігалася», – додав Саканна.

Вони назвали нововідкритий кристал L3S4 на основі його складу, але на лабораторних зустрічах почали неофіційно називати його «Зангенітом», враховуючи, що його відкрив Занг. Назва прижилася.

«Ми вивчаємо колоїдні кристали, щоб імітувати реальний світ атомних кристалів, але ніколи не уявляли, що відкриємо кристал, який не можемо знайти в реальному світі», – сказав Занг.

Відкриття зангеніту створює можливість дослідити використання порожнистих кристалів низької щільності та може прокласти шлях для пошуку додаткових нових кристалів.

«Канали всередині Зангеніту аналогічні особливостям інших матеріалів, які корисні для фільтрації або утримання речей всередину них», – сказав Хокі. «Раніше ми думали, що спостерігати нову кристалічну структуру буде рідкістю, але ми можемо виявити додаткові нові структури, які ще не були охарактеризовані», – сказав Саканна.

У ширшому сенсі, глибше розуміння того, як формуються кристали, є перспективним для розробки нових матеріалів, включаючи фотонні матеріали з забороненою зоною, які є основою для лазерів, волоконно-оптичних кабелів, сонячних панелей та інших технологій, що передають або збирають світло.