Veel schelpen, mineralen, en halfgeleider nanomaterialen bestaan ​​uit kleinere kristallen, die als puzzelstukjes in elkaar zijn gezet. Nutsvoorzieningen, onderzoekers hebben de krachten gemeten die ervoor zorgen dat de kristallen samenkomen, het onthullen van een orkest van concurrerende factoren die onderzoekers mogelijk kunnen beheersen.

Het werk heeft een verscheidenheid aan implicaties in zowel ontdekking als toegepaste wetenschap. Naast het verschaffen van inzicht in de vorming van mineralen en halfgeleider nanomaterialen, het kan wetenschappers ook helpen de grond te begrijpen terwijl deze uitzet en samentrekt door bevochtigings- en droogcycli. In het toegepaste domein, onderzoekers kunnen de principes gebruiken om nieuwe materialen te ontwikkelen met unieke eigenschappen voor energiebehoeften.

De resultaten, gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences in juli, beschrijf hoe de rangschikking van de atomen in de kristallen krachten creëert die ze samentrekken en uitlijnen om ze vast te zetten. Het onderzoek laat zien hoe de aantrekkingskracht sterker of zwakker wordt naarmate water wordt verwarmd of zout wordt toegevoegd, beide zijn veel voorkomende processen in de natuurlijke wereld.

Het multinationale team, onder leiding van chemici Dongsheng Li en Jaehun Chun van het Pacific Northwest National Laboratory van het Department of Energy, onderzochten de aantrekkingskrachten tussen twee kristaldeeltjes gemaakt van mica. Een schilferig mineraal dat veel wordt gebruikt in elektrische isolatie, dit mineraal op basis van silicium is goed bestudeerd en gemakkelijk om mee te werken omdat het afbreekt in platte stukken met bijna perfecte kristaloppervlakken.

Krachten en gezichten

Kristallisatie vindt vaak plaats door assemblage van veelzijdige bouwstenen:sommige vlakken op deze kleinere kristallen komen beter overeen met andere, zoals Legoblokken doen. Li en Chun hebben een specifiek kristallisatieproces bestudeerd dat georiënteerde hechting wordt genoemd. Onder andere onderscheidende kenmerken, georiënteerde hechting vindt plaats wanneer kleinere subeenheden van jonge kristallen hun best passende gezichten uitlijnen voordat ze op elkaar klikken.

Het proces creëert verschillende niet-lineaire vormen:nanodraden met vertakkingen, roosters die eruitzien als ingewikkelde honingraten, en tetrapoden - kleine structuren die eruitzien als vierarmige speelgoedjacks. De moleculaire krachten die bijdragen aan deze zelfassemblage zijn niet goed begrepen.

Moleculaire krachten die in het spel komen, kunnen de kleine kristalbouwstenen van of naar elkaar aantrekken of afstoten. Deze omvatten een verscheidenheid aan leerboekkrachten zoals van der Waals, waterstofbinding, en elektrostatisch, onder andere.

Om de krachten te verkennen, Li, Chun en collega's freesden platte gezichten op kleine plakken mica en plaatsten ze op een apparaat dat de aantrekkingskracht tussen twee stukken meet. Vervolgens maten ze de aantrekkingskracht terwijl ze de gezichten ten opzichte van elkaar draaiden. Door het experiment kon de mica worden gebaad in een vloeistof die verschillende zouten bevat, door hen real-world scenario's te laten testen.

Het verschil in dit werk was de vloeistofopstelling. Vergelijkbare experimenten door andere onderzoekers zijn droog onder vacuüm gedaan; in dit werk, de vloeistof creëerde omstandigheden die beter simuleren hoe echte kristallen zich vormen in de natuur en in grote industriële methoden. Het team voerde enkele van deze experimenten uit bij EMSL, het Environmental Molecular Sciences Laboratory, een DOE Office of Science User Facility bij PNNL.

Twist en zout

Een van de eerste dingen die het team ontdekte, was dat de aantrekkingskracht tussen twee stukken mica toenam en daalde toen de gezichten ten opzichte van elkaar verdraaiden, zoals wanneer je een sandwich probeert te maken van twee platte koelkastmagneten (ga door, probeer het). In feite, de aantrekkingskracht steeg en daalde elke 60 graden, overeenkomend met de interne architectuur van het mineraal, die bijna zeshoekig is als een honingraatcel.

Hoewel andere onderzoekers meer dan tien jaar geleden hadden voorspeld dat deze cyclische aantrekkingskracht zou plaatsvinden, dit is de eerste keer dat wetenschappers de krachten hebben gemeten. Het kennen van de kracht van de krachten is de sleutel tot het manipuleren van kristallisatie in een onderzoeks- of industriële omgeving.

Maar ook andere dingen gonsden in de mica-face-off. Tussen de twee oppervlakken, de vloeibare omgeving bevatte elektrisch geladen ionen van zouten, normale elementen gevonden tijdens kristallisatie in de natuur. Het water en de ionen vormden een enigszins stabiele laag tussen de oppervlakken die hen deels gescheiden hield. En terwijl ze naar elkaar toe liepen, de twee mica-oppervlakken stopten daar, evenwicht tussen moleculaire aantrekking en afstoting door water en ionen.

Het team ontdekte ook dat ze de kracht van die aantrekkingskracht konden manipuleren door het type ionen te veranderen, hun concentratie, en de temperatuur. Verschillende soorten ionen en hun concentraties veranderden de elektrostatische afstoting tussen de mica-oppervlakken. De grootte van de ionen en het aantal ladingen dat ze droegen, creëerden ook meer of minder ruimte binnen de bemoeizuchtige laag.

als laatste, hogere temperaturen verhoogden de aantrekkingskracht, in tegenstelling tot hoe temperatuur zich gedraagt ​​in eenvoudiger, minder complexe scenario's. De onderzoekers bouwden een model van de concurrerende krachten, waaronder Van der Waals, elektrostatisch, en hydratatiekrachten.

In de toekomst, zeggen de onderzoekers, de principes die uit deze studie zijn afgeleid, kunnen worden toegepast op andere materialen, die zou worden berekend voor het materiaal van belang. Bijvoorbeeld, door de aantrekkingskracht te manipuleren, kunnen onderzoekers op maat gemaakte kristallen van gewenste afmetingen en vormen en met unieke eigenschappen maken. Algemeen, het werk geeft inzicht in kristalgroei door assemblage van nanodeeltjes in synthetische, biologisch, en geochemische omgevingen.