Wanneer materialen extreem kleine schalen bereiken, vreemde dingen beginnen te gebeuren. Een van die verschijnselen is de vorming van mesokristallen.

Ondanks dat het is samengesteld uit afzonderlijke individuele kristallen, mesokristallen komen samen om een ​​groter, gefuseerde structuur die zich gedraagt ​​als een zuivere, enkel kristal. Echter, deze processen vinden plaats op een schaal die veel te klein is voor het menselijk oog om te zien en het ontstaan ​​ervan is een enorme uitdaging om te observeren.

Door deze uitdagingen, wetenschappers hadden niet precies kunnen bevestigen hoe mesokristallen zich vormen.

Nieuw onderzoek door een team onder leiding van een Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) maakte gebruik van geavanceerde transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) technieken om in realtime de vorming van mesokristallen in oplossing te zien. Wat ze zagen druist in tegen de conventionele wijsheid en hun inzichten zouden wetenschappers ooit kunnen helpen bij het ontwerpen van materialen voor energieopslag en om te begrijpen hoe mineralen in de bodem worden gevormd.

In plaats van individuele kristallen te laten kiemen, de stap die kristalvorming begint, en vervolgens willekeurig aggregeren in mesokristallen in twee niet-gerelateerde stappen, de onderzoekers merkten op dat kiemvorming en aanhechting nauw met elkaar verbonden waren bij het vormen van deze zeer uniforme structuren. De onderzoekers rapporteerden hun werk op 18 februari, uitgave van 2021 Natuur .

"Onze bevindingen identificeren een belangrijke nieuwe route van kristallisatie door aanhechting van deeltjes en lossen belangrijke vragen op over mesocrystal-vorming, " zei PNNL en materiaalwetenschapper Guomin Zhu van de Universiteit van Washington. Hij maakte deel uit van het onderzoeksteam onder leiding van Jim De Yoreo, PNNL materiaalwetenschapper en mededirecteur van het Northwest Institute for Materials Physics, Scheikunde, en technologie. "We vermoeden dat dit een wijdverbreid fenomeen is met significante implicaties, zowel voor de synthese van ontworpen nanomaterialen als voor het begrijpen van natuurlijke mineralisatie, " voegde Zhu eraan toe.

Kristallisatie in realtime zien

Het project duurde jaren om uit te voeren en vereiste een aanzienlijke probleemoplossing. Voor de microscopie-experimenten, het wetenschappelijke team koos een modelsysteem met hematiet, een ijzerverbinding die veel voorkomt in de aardkorst, en oxalaat, een van nature voorkomende verbinding in de bodem.

Ze visualiseerden het proces met behulp van in situ TEM, wat onderzoekers de mogelijkheid geeft om kristallisatie op nanometerschaal te zien terwijl het gebeurt. Ze combineerden deze real-time methode met "freeze-and-look" TEM waardoor ze een individueel kristal op verschillende punten tijdens de groei konden volgen. Theoretische berekeningen hielpen het plaatje compleet te maken, waardoor het PNNL-team kon ontdekken hoe de mesokristallen groeiden.

Onderzoekers voeren over het algemeen de meeste in situ TEM-experimenten uit bij kamertemperatuur om de experimentele opstelling te vereenvoudigen en de kans op beschadiging van het gevoelige instrument te minimaliseren, maar mesokristalvorming die snel genoeg is om waar te nemen, vindt plaats bij ongeveer 80 ° C.

"De extra apparatuur die werd gebruikt om de monsters te verwarmen, maakte de experimenten extreem uitdagend, maar we wisten dat de gegevens de sleutel zouden zijn om te begrijpen hoe de mesokristallen zich vormden, " zei Zhu.

Eenmaal verwarmd, de nieuwe hematiet-nanokristallen maken het gemakkelijk voor hen om snel aan elkaar te hechten, die leidt, gemiddeld, tot uiteindelijke mesokristallen van ongeveer dezelfde grootte en vorm.

Mesokristallen in de natuur

De chemische sleutel tot deze snelle, betrouwbare hechting zijn de oxalaatmoleculen die in de oplossing aanwezig zijn. Nadat de eerste paar kleine kristallen zijn gevormd, de oxalaatadditieven helpen een chemische gradiënt te creëren op het grensvlak van de vloeistof en het groeiende kristal. Meer chemische componenten die nodig zijn voor deeltjeskiemvorming blijven in de buurt van de kristallen, waardoor de kans dat nieuwe deeltjes zich in de buurt van bestaande deeltjes zullen vormen dramatisch toeneemt.

Hoewel deze kristalgroeiroute op zeer kleine schaal onder gecontroleerde omstandigheden werd waargenomen, het komt waarschijnlijk ook voor in natuurlijke systemen, volgens de onderzoekers. Sommige minerale afzettingen, inclusief een Australische hematietafzetting, mesokristallen bevatten. Gezien de natuurlijke overvloed aan oxalaat en de observatie van het PNNL-team dat hematiet mesokristallen kan worden bij temperaturen tot 40 °C, het lijkt aannemelijk dat deze vormingsroute in de natuur voorkomt.

Omdat mesokristallen overal in de natuur voorkomen, de bevindingen kunnen worden toegepast op het begrijpen van de nutriëntenkringloop in het milieu, onder andere toepassingen. Bovendien, de route naar het creëren van bijna uniforme complexe structuren vereist een begrip van hoe methoden voor het vormen van dergelijke materialen werken en hoe ze te beheersen. Zo dit werk, ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie, Bureau van Wetenschap, Bureau voor basisenergiewetenschappen, Afdeling Chemische Wetenschappen, Geowetenschappen, en biowetenschappen, opent nieuwe mogelijkheden om opzettelijk mesocrystals of mesocrystal-achtige materialen te creëren.