Een team van onderzoekers van de Universiteit van Tokyo en Fudan University heeft het proces van kristallisatie bestudeerd wanneer meer dan één structurele opstelling mogelijk is. Door de ruis van willekeurige fluctuaties te verminderen, ze ontdekten dat voorbijgaande voorlopers van de verschillende kristallijne ordeningen naast elkaar bestaan ​​en met elkaar concurreren. Dit werk kan helpen leiden tot efficiëntere methoden voor kristaltechnologie.

Een van de meest populaire tentoonstellingen van elk geologisch museum is het kristalgedeelte. Groot, vlak, rechthoekige of tetraëdrische vlakken van een elegant kristal weerspiegelen onderliggende moleculaire patronen. Bij nader inzien, sommige exemplaren blijken mozaïeken van verschillende vormen te zijn, waaruit blijkt dat dezelfde atomen zichzelf op meerdere manieren kunnen rangschikken, polymorfisme genoemd. In feite, alle kristallen zijn gewoon herhalende arrangementen van atomen of grotere deeltjes die typisch uit kleinere zaden groeien. Deze zaden dienen als eerste sjablonen waarmee nieuwe deeltjes zich op de juiste locaties kunnen hechten. Echter, wanneer meerdere structuren vergelijkbare stabiliteiten vertonen, het kristallisatieproces kan extreem complex worden.

Om dit beter te begrijpen, onderzoekers van de Universiteit van Tokyo en de Fudan Universiteit bestudeerden een experimenteel systeem bestaande uit uniforme poly(methylmethacrylaat) colloïdale bollen. Met behulp van confocale microscopie, waarmee de 3D-posities van veel deeltjes tegelijk kunnen worden gevolgd, samen met krachtige computeralgoritmen, het team observeerde een ziedend mengsel van concurrerende structuren die voortdurend breken en hervormen.

Elk type kristallijne ordeningsvoorloper was in competitie om de groei van dat type structuur te zaaien. De wetenschappers ontdekten dat de tussenstructuren voordat de kristallisatie voltooid was, mengsels bleken te zijn van lokale orden die van korte duur waren en vaak in elkaar veranderden. "Concurrentie tussen verschillende kristalordeningen vindt lokaal plaats en kan worden gemaskeerd door grote positionele fluctuaties, ", zegt senior auteur Peng Tan.

Om dit geluid te overwinnen, het team moest computationele methoden gebruiken om de verschillende structuren correct te classificeren. Het ruimtelijk naast elkaar bestaan ​​van fasen, samen met nieuw gevonden temporele fluctuaties van concurrerende orden, toont aan dat wanorde een intrinsiek kenmerk is van kristalprecursoren.

"Onze methode geeft het duidelijkste beeld tot nu toe van de concurrentie die kan bestaan ​​tussen de verschillende kristallijne vormen in een enkel monster, " zegt senior auteur Hajime Tanaka. "Dit onderzoek kan de weg vrijmaken voor nieuwe benaderingen voor de industriële productie van kristallijne materialen."

Het werk is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang als "Onthullende rollen van concurrerende lokale structurele ordeningen bij de kristallisatie van polymorfe systemen."