Вчені відкрили новий спосіб зазирнути всередину кристалів

Нова технологія, яка створює 3D-моделі окремих кристалів, відкрила вченим вікно, щоб побачити тонкі відхилення, які з’являються в їхніх досконалих візерунках.

Дослідники з Нью-Йоркського університету (NYU) повернулися до креслярської дошки, щоб зазирнути всередину твердих тіл, що складаються з повторюваних одиниць, і визначити, як вони ростуть.

Рентгенівське випромінювання з короткою довжиною хвилі, приблизно такого ж розміру, як і багато повторюваних одиниць, з яких складаються кристали, вже давно дозволяє вченим робити висновки про те, як компоненти кристала поєднуються один з одним, вимірюючи кут, під яким дифрагують промені.

Однак, попри всю свою винахідливість, рентгенівська кристалографія має свої межі, які досить влучно підсумовані у першому реченні нової статті, опублікованій цього місяця в журналі Nature Materials: “Структури молекулярних кристалів ідентифікуються за допомогою методів розсіювання, тому що ми не можемо зазирнути всередину”.

У статті описується нова методика, яка обіцяє нарешті змінити цей факт – хоча і не для кристалів, що складаються з повторюваних одиниць окремих атомів.

Натомість йдеться про кристали, що складаються з візерунків на основі колоїдних частинок, які є достатньо великими, щоб їх можна було побачити під звичайним мікроскопом і маніпулювати ними у спосіб, який був би неможливий для атомів.

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

Як і рентгенівська кристалографія, цей метод має свої обмеження. Труднощі у пошуку надійних способів зображення відносно складних колоїдних кристалів призвели до того, що їхнє вивчення досі здебільшого обмежувалося тонкими, простими структурами, утвореними з однієї складової частинки.

Багато кристалів атомного масштабу, навпаки, складаються з двох або більше елементів і утворюють складні тривимірні структури.

Нова методика, започаткована командою Нью-Йоркського університету, обіцяє дозволити вивчати колоїдні аналоги цих відносно складних кристалічних решіток. Методика ґрунтується на деяких попередніх напрацюваннях команди, в яких вони розробили процес під назвою “полімерно-послаблена кулонівська самозбірка”, або PACS.

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

Нове дослідження демонструє ефективність посіву цих окремих колоїдних частинок флуоресцентним барвником, щоб відрізнити один вид від іншого – і, що важливо, продовжує робити це після того, як вони сформували кристали. Це означає, що нарешті вчені можуть “зазирнути всередину” повністю сформованого кристалу і безпосередньо спостерігати за його нутрощами.

Як повідомляють дослідники, “ми можемо розрізнити всі частинки в бінарному іонному кристалі і реконструювати повну внутрішню 3D-структуру до глибини ~200 шарів”.

Команда з Нью-Йоркського університету повідомляє про кілька нових результатів, які вони вже отримали в результаті спостережень.

Процес, відомий як “двійникування”, коли решітки двох кристалів вирівнюються таким чином, що вони мають спільні складові частини вздовж спільної площини, давно цікавив науковців.

Дослідники описують створення колоїдних кристалів, які відтворюють кубічні структури кількох різних мінералів на атомному рівні: вищезгадану чергування натрію і хлору, що утворюють кухонну сіль; хлорид цезію, де вісім атомів хлору утворюють “клітку” навколо одного атома цезію; і дещо екзотичніший приклад аурикуприду, сполуки міді та золота, де кожна грань кубічної решітки атомів золота пронизана одним атомом міді, подібно до матриці, в якій всі грані – це одиниці.

У кожному випадку команда змогла безпосередньо спостерігати за еволюцією двійникових кристалів, таким чином забезпечивши пряме експериментальне спостереження за тим, як виникають такі структури.

“Це пряме спостереження однозначно розплутує внутрішні хитросплетіння кристалічної структури, з’ясовуючи взаємозв’язок між взаємодією частинок і макроскопічною формою кристала, включаючи появу і вплив дефектів і двійникування”, – повідомляють дослідники.

Група з нетерпінням чекає на розгадку таємниць кристалів, більш ніж через 100 років після того, як відкриття рентгенівських променів дозволило людству отримати перший натяк на хитросплетіння кристалічної структури.