Als twee magneten die naar elkaar toe worden getrokken, kleine kristallen draaien, uitlijnen en tegen elkaar botsen, maar door een geheel andere kracht. Voor de eerste keer, onderzoekers hebben de kracht gemeten die ze samentrekt en gevisualiseerd hoe ze draaien en uitlijnen.

Van der Waals-troepen genoemd, de attractie geeft inzicht in hoe kristallen zichzelf assembleren, een activiteit die in een groot aantal gevallen in de natuur voorkomt, van rotsen tot schelpen tot botten.

"Het is provocerend in die zin dat je met dit soort metingen een model van 3D-montage kunt bouwen, met deeltjes die op bepaalde manieren aan elkaar hechten, zoals Legoblokjes, " zei chemicus Kevin Rosso van het Pacific Northwest National Laboratory van het Department of Energy. "Kristalen zijn bijna overal in de natuur, en dit werk zal ons helpen om van deze krachten te profiteren bij het ontwerpen van nieuwe materialen."

Fusiekracht

Kristallen vormen ondersteunende structuren in een verscheidenheid aan natuurlijke en synthetische materialen. Grotere kristallen kunnen zich ophopen uit kleinere. Hoewel over het algemeen de vorm van kubussen, kristallen hebben verschillende kanten, waarvan sommige goed bij elkaar passen en andere niet. Als de bijpassende zijden goed zijn georiënteerd, kristallen kunnen naadloos samensmelten, groter en groter worden.

Maar wat zorgt ervoor dat kristallen dichtbij genoeg komen om te smelten in de eerste plaats, en kunnen ze zichzelf uitlijnen? Er is door de jaren heen op veel soorten krachten gesuggereerd, maar de tools om de juiste te beperken bestonden niet.

Nutsvoorzieningen, Rosso en teams bij PNNL, EMSL, het Environmental Molecular Sciences Laboratory, een DOE Office of Science User Facility bij PNNL, en de Universiteit van Pittsburgh ontwikkelde een nieuwe benadering door een omgevingstransmissie-elektronenmicroscoop te combineren, een ETEM genoemd, met nanokristalkrachtsondes waarmee wetenschappers kunnen kijken hoe kristallen op elkaar inwerken in een levensechte situatie. PNNL postdoctoraal chemicus Xin Zhang en EMSL-gebruiker Yang He, een doctoraat student van de Universiteit van Pittsburgh, gebruikte bronnen binnen EMSL om te onderzoeken hoe titaniumoxidekristallen koppelen.

Om hun experiment te begrijpen, stel je voor dat je twee magneten vasthoudt en ze naar elkaar toe beweegt. Als ze zo dichtbij zijn dat de aantrekkingskracht de inspanning overwint die je gebruikt om ze uit elkaar te houden, ze zullen samen springen. Het PNNL-team deed dit, maar op een veel kleinere schaal en met een kracht die geen magnetisme is.

Een kleine sprong

Het team moest zeer kleine kristallen gebruiken die de zwakke krachten die ze verwachtten te zien niet zouden overweldigen. Ze bevestigden titaniumoxidekristallen die honderd tot duizend keer dunner zijn dan een mensenhaar (afhankelijk van het haar) aan weerszijden van een instrument dat kracht meet. Het team bewoog de kristallen vervolgens naar elkaar toe, onder verschillende hoeken tussen hen gedraaid, totdat de twee in elkaar klapten.

Het team trok ook de kristallen uit elkaar en mat ook hoeveel kracht dat kostte. Dankzij deze metingen konden de onderzoekers de kracht in detail karakteriseren. Er zijn verschillende soorten krachten die werken voor objecten van deze grootte, en met aanvullende analyses concludeerde het team dat krachten genaamd Van der Waals degenen waren die aan het werk waren die zelf-uitlijning veroorzaakten.

En een draai

In aanvulling, ze wilden een gezicht op een naam plakken, bij wijze van spreken, van een theoretische voorspelling van van der Waals-krachten in de jaren zeventig. De theorie stelde wetenschappers in staat om het koppel te berekenen tussen kristallen die ten opzichte van elkaar worden gedraaid (stel je voor dat je een stokbrood draait om een ​​stuk brood eraf te trekken) op basis van de hoek ertussen.

Dus het team mat ook de kracht tussen twee kristallen die op een constante afstand van elkaar werden gehouden, maar in tegengestelde richtingen van elkaar waren gedraaid. Mede-auteur computationeel fysicus Maria Sushko vergeleek de gegevens met voorspellingen die de theorie maakte en toonde aan dat de theorie stand hield.

"Dit is de eerste maatstaf en het bewijs dat de kracht afhangt van hoe de kristallen ten opzichte van elkaar worden geroteerd, wat we rotatieafhankelijk noemen, "zei Rosso. "Als ze rotatieafhankelijk zijn, dit houdt in dat deze kracht zal bijdragen aan het uitlijnen van vrije kristallen die tegen elkaar botsen in een vloeibare omgeving, bijvoorbeeld, het verhogen van de snelheid van succesvol plakken."

In aanvulling, het bewijzen van de verbinding betekent dat het gemakkelijker zal zijn om dergelijke aantrekkingskrachten te bepalen voor kristallen gemaakt van verschillende materialen, zoals calciumcarbonaat in schelpen. Wetenschappers zullen deze krachten kunnen bepalen door getallen aan een vergelijking toe te voegen in plaats van alle experimenten opnieuw uit te voeren.

De studie is gepubliceerd in Wetenschap .