Bilim adamları kristal oluşumunun ilk milisaniyesini gözlemliyor
[ad_1]
Kristalleri büyüttüğümüzde, atomlar önce küçük kümeler halinde gruplanır – çekirdeklenme adı verilen bir süreç. Ancak, rastgele hareket eden atomların kaosundan böyle bir atom düzeninin tam olarak nasıl ortaya çıktığını anlamak, bilim adamlarını uzun süredir atlattı.
Klasik çekirdeklenme teorisi, kristallerin her seferinde bir atom oluşturarak düzen düzeyini sürekli olarak artırdığını ileri sürer. Modern çalışmalar ayrıca, önce geçici, yüksek enerjili bir yapının oluştuğu ve daha sonra kararlı bir kristale dönüştüğü iki aşamalı bir çekirdeklenme sürecini de gözlemledi. Ancak Enerji Bakanlığı Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (Berkeley Lab) tarafından yönetilen uluslararası bir araştırma ekibine göre, gerçek hikaye daha da karmaşık.
Bulguları son zamanlarda dergide yayınlandı Bilim, altın atomlarının tek tek gruplamaktan veya geri dönüşü olmayan tek bir geçiş yapmaktan ziyade, kararlı, düzenli bir kristal oluşturmadan önce birçok kez kendi kendine organize olacağını, parçalandığını, yeniden gruplanacağını ve sonra birçok kez yeniden organize edeceğini ortaya çıkarın. Araştırmacılar, gelişmiş bir elektron mikroskobu kullanarak bu hızlı, tersinir çekirdeklenme sürecine ilk kez tanık oldular. Çalışmaları, ince film biriktirme ve nanopartikül oluşumu gibi birçok büyüme sürecinin erken aşamalarına somut bilgiler sağlıyor.
Araştırmanın baş yazarlarından biri ve Berkeley Lab Moleküler Dökümhanesinde çalışan bilim insanı Peter Ercius, “Bilim adamları yeni malzemeler ve cihazlar üretmek için maddeyi daha küçük boyutlarda kontrol etmeye çalışırken, bu çalışma bazı kristallerin tam olarak nasıl oluştuğunu anlamamıza yardımcı oluyor” dedi.
Bilim adamlarının geleneksel anlayışına uygun olarak, çalışmadaki kristaller belirli bir boyuta ulaştığında, artık düzensiz, kararsız duruma geri dönmüyorlar. Projeye rehberlik eden profesörlerden biri olan Won Chul Lee, bunu şu şekilde tanımlıyor: Her bir atomu bir Lego tuğlası olarak hayal edersek, o zaman bir ev tek seferde bir tuğla inşa etmek yerine, tuğlaların tekrar tekrar birbirine uyduğu ve kırıldığı ortaya çıkıyor. Nihayet bir arada kalabilecek kadar güçlü olana kadar tekrar ayrı tutun. Bununla birlikte, temel oluşturulduktan sonra, genel yapıyı bozmadan daha fazla tuğla eklenebilir.
Kararsız yapılar yalnızca dünyanın en güçlü elektron mikroskoplarından biri olan TEAM I’de yeni geliştirilen dedektörlerin hızı nedeniyle görülebiliyordu. Şirket içi uzmanlardan oluşan bir ekip, Berkeley Lab’s Molecular Foundry’deki Ulusal Elektron Mikroskobu Merkezi’ndeki deneylere rehberlik etti. TEAM I mikroskobunu kullanarak araştırmacılar, saniyede 625 kareye varan hızlarda gerçek zamanlı, atomik çözünürlüklü görüntüler yakaladılar; bu, elektron mikroskobu için son derece hızlı ve önceki çalışmalardan yaklaşık 100 kat daha hızlı. Araştırmacılar, kristallere dönüştüklerinde, ayrı ayrı altın atomlarını gözlemlediler, ayrı ayrı atomlara ayrıldılar ve sonunda kararlı hale gelmeden önce tekrar tekrar farklı kristal konfigürasyonlarına dönüştürdüler.
Ercius, “Daha yavaş gözlemler bu çok hızlı, tersine çevrilebilir süreci kaçırır ve geçişler yerine sadece bir bulanıklık görür, bu da bu çekirdeklenme davranışının neden daha önce hiç görülmediğini açıklar,” dedi.
Bu tersine çevrilebilir fenomenin arkasındaki sebep, kristal oluşumunun ekzotermik bir süreç olmasıdır – yani enerji açığa çıkarır. Aslında, atomlar küçük çekirdeklere bağlandığında açığa çıkan enerji, yerel “sıcaklığı” yükseltebilir ve kristali eritebilir. Bu şekilde, ilk kristal oluşum süreci, ısıya dayanacak kadar kararlı bir çekirdek oluşturmadan önce, düzen ve düzensizlik arasında birçok kez dalgalanarak kendi kendine karşı çalışır. Araştırma ekibi, deneysel gözlemlerinin bu yorumunu, varsayımsal bir altın atomu ile bir nanokristal arasındaki bağlanma reaksiyonlarının hesaplamalarını yaparak doğruladı.
Şimdi, bilim adamları, süreci daha yüksek hızlarda görüntülemek için kullanılabilecek daha da hızlı dedektörler geliştiriyorlar. Bu, atomik kaosta gizli daha fazla çekirdeklenme özelliği olup olmadığını anlamalarına yardımcı olabilir. Ekip ayrıca, bu keşfin genel bir çekirdeklenme sürecini yansıtıp yansıtmadığını belirlemek için farklı atom sistemlerinde benzer geçişleri tespit etmeyi umuyor.
Çalışmanın baş yazarlarından biri olan Jungwon Park, çalışmayı şöyle özetledi: “Bilimsel bir bakış açısıyla, kristal çekirdeklenme sürecinin yeni bir ilkesini keşfettik ve bunu deneysel olarak kanıtladık.”
Bilim adamları, kristal oluşumu ve büyüme anlarını yakalıyor
[ad_2]