Wetenschappers van de Universiteit van Bristol hebben, Voor de eerste keer, observeerde de vorming van een kristalgel met resolutie op deeltjesniveau, waardoor ze de omstandigheden kunnen bestuderen waaronder deze nieuwe materialen worden gevormd.

De studie toonde aan dat het mechanisme van kristalgroei dezelfde strategieën volgt waarmee ijskristallen in wolken groeien, een analogie die ons begrip van deze fundamentele processen zou kunnen verbeteren

In aanvulling, door dit nieuwe mechanisme kon het onderzoeksteam spontaan sponsachtige nanoporeuze kristallen vormen in een continu proces.

Nanoporeuze kristallen van metalen en halfgeleiders kunnen worden verkregen zonder dealloying, wat belangrijk kan zijn voor katalytische, optisch, voelen, en filtratietoepassingen.

Het werk is een samenwerking tussen de Universiteit van Tokyo (waar de experimenten werden uitgevoerd), Bristol en het Instituut Lumiere Matière in Lyon, Frankrijk.

De bevindingen worden vandaag gepubliceerd in het tijdschrift, Natuurmaterialen .

Dokter John Russo, van de School of Mathematics van de University of Bristol en co-auteur van het onderzoekspaper, zei:"We hebben met name enkele nieuwe vormingsmechanismen waargenomen.

"We ontdekten dat om deze kristalgelstructuren te verkrijgen, de oorspronkelijke gelstructuur moet een structurele reorganisatie ondergaan, waarin bindingen tussen colloïdale deeltjes worden verbroken om de interne stress los te laten die was opgehoopt tijdens de snelle groei van de gel - een proces dat door stress veroorzaakte veroudering wordt genoemd.

"Na dit, we zagen dat de manier waarop de takken van de gel kristalliseren, doet denken aan het proces waarbij waterdruppels kristalliseren in wolken. Vervolgens konden we processen observeren die kristallisatie bevorderen via een tussenliggende gasfase.

"Dit is de eerste keer dat deze fundamentele processen worden waargenomen met een resolutie op deeltjesniveau, wat ons een ongekend inzicht geeft over hoe het proces verloopt."

Het artikel rapporteert over experimenten met een uit evenwicht zijnde fase van materie die wordt verkregen door colloïdale deeltjes van micronmetergrootte te mengen, met korte polymeerketens in een goed oplosmiddel.

De rol van de polymeren is het induceren van een effectieve aantrekking tussen de colloïdale deeltjes, als gevolg van een fysiek effect genaamd uitputting, waarvan de oorsprong zuiver entropisch is.

Aan het begin van het experiment, colloïdale deeltjes stoten elkaar af door elektrostatische afstoting. Om de uitputtingsaantrekkingskracht tussen colloïden te induceren, het monster wordt via een semi-permeabel membraan in contact gebracht met een zoutoplossing.

Terwijl het zout door het semi-permeabele membraan diffundeert, het schermt de elektrostatische afstoting tussen de colloïdale deeltjes af, die dan beginnen te aggregeren.

Het hele proces van aggregatie wordt waargenomen met een confocale microscoop, die snelle scans maakt van het monster op verschillende hoogtes, zodat de onderzoekers de coördinaten van de colloïdale deeltjes kunnen reconstrueren met beeldanalyse, en bestuderen hoe deze deeltjes in de loop van enkele uren bewegen.

Als de polymeerconcentratie hoog is, het systeem zal een gel vormen - een wanordelijke toestand waarin colloïdale deeltjes aggregeren om onderling verbonden takken te vormen die het hele systeem overspannen, en die stijfheid geven aan de structuur.

Dr. Russo voegde toe:"Wat we hebben aangetoond, in plaats daarvan, is dat als we de polymeerconcentratie afstemmen op de juiste waarde (naast wat een kritisch punt wordt genoemd), het systeem zal geen ander type gel vormen, waarin de colloïdale deeltjes door de gelstructuur kristalliseren, oorsprong geven aan een poreus materiaal gemaakt van kristallijne takken."