De omzetting van de meeste materialen in een georganiseerde kristallijne structuur begint met het kiemvormingsproces. Een alledaags voorbeeld is de snelle kristallisatie van onderkoeld water na de kiemvorming van een entkristal. Dit fenomeen heeft zowel wetenschappers als gewone mensen verbijsterd. Het kiemproces, waarin de atomen zich verzamelen en de kleinste kristallen vormen, is een belangrijk wetenschappelijk fenomeen dat sinds het einde van de 19e eeuw op grote schaal is bestudeerd.

De klassieke nucleatietheorie stelt dat de assemblage van monomeren tot een kristalstructuur in één richting plaatsvindt. Anderzijds, sommigen hebben gesuggereerd dat in sommige systemen een niet-klassiek kristallisatieproces met metastabiele tussenliggende kristalstructuren kan optreden. Echter, het was buitengewoon moeilijk om deze theorieën te bevestigen door directe observatie, omdat de kiemvorming zeer snel plaatsvindt, en de grootte van een kern kan zo klein zijn als een paar atomen.

Dit eeuwenoude mysterie is eindelijk opgelost door een internationaal gezamenlijk onderzoeksteam onder leiding van LEE Won Chul, Hoogleraar Werktuigbouwkunde aan de Hanyang University Erica Campus. Het gezamenlijke onderzoeksteam is erin geslaagd het moment van de initiële staat van nanokristalkiemvorming te observeren.

De wetenschappers slaagden erin het proces te filmen waarbij de goudatomen zich verzamelen om nanokristallen te vormen. Om de begintoestand van het kiemvormingsproces te observeren, het team synthetiseerde gouden nanokristallen door een elektronenstraal uit te zenden op gouden cyanide nanoribbons bovenop een grafeenmembraan, die de nanoribbons ontleedt in goudatomen. Het gesynthetiseerde monster werd waargenomen met de krachtige transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) in het Lawrence Berkeley National Laboratory. Het proces werd geregistreerd met een ruimtelijke resolutie op atomair niveau en een ultrahoge temporele resolutie op een schaal van milliseconden.

De TEM-waarneming toonde de abrupte verdwijning en terugkeer van kristalroosterstructuren voorafgaand aan het verschijnen van een stabiele kristalstructuur. Door zorgvuldige analyse, het team heeft een aantal factoren uitgesloten die tot dergelijke waarnemingen kunnen leiden, zoals de oriëntatie, kantelen, en snelle rotatie van nanokristallen. Daarom, de waargenomen resultaten leken erop te wijzen dat de atomen die de kern vormen willekeurig oscilleren tussen de ongeordende en kristallijne toestanden. Deze structurele fluctuatie bleek spontaan op een stochastische manier op te treden. De ontdekking van het team daagde direct de al lang bestaande kiemvormingstheorie uit, evenals een meer recente nucleatietheorie die in de afgelopen twee decennia is voorgesteld.

In aanvulling, het team ontdekte dat de stabiliteit van de kristallijne toestand toenam naarmate de nanokristallen groter werden. Bijvoorbeeld, de nanokristallen met 2,0 nm ² gebieden brachten ongeveer de helft van de tijd door in kristallijne toestand. Toen de kristalgroottes toenamen tot boven 4,0 nm ² in de buurt, de kristallen leken meestal onder een kristallijne vorm te bestaan.

Om dit fenomeen te beschrijven, het team stelde een nieuwe thermodynamische theorie van kristalkiemvorming voor. De studie stelde voor dat de energiebarrière tussen kristallijne tot ongeordende transformatie in het vroegste stadium van nucleatie meestal erg laag is wanneer de clustergrootte klein is en dat deze toeneemt naarmate er meer atomen aan de structuur worden toegevoegd. Dit kan de spontane fluctuatie tussen kristallijne en ongeordende toestanden verklaren in ontluikende kristallen die uit een paar atomen bestaan. Het team wees er ook op dat in relatief kleinere nanokristallen, zelfs de toevoeging van extra atomen kan genoeg energie in het systeem overbrengen om de hele structuur weer in een ongeordende toestand te brengen. De energiebarrière neemt toe naarmate het kristal groeit, wat de kans op spontane reversie vermindert en de kristallijne structuren in grotere kristallen stabiliseert.

Wat deze bevindingen betreft, Prof. Jungwon Park zei:"Vanuit wetenschappelijk oogpunt ontdekten we een nieuw principe van kristalkiemvormingsproces, en we hebben het experimenteel bewezen."

Prof. Won Chul Lee zei:"In technisch opzicht door de oorspronkelijke toestand van het depositieproces te reproduceren, het kan worden gebruikt om originele technologie in halfgeleidermaterialen te bereiken, componenten, en uitrusting."

Dit onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap op 29 januari, 2021.