Als we kristallen laten groeien, atomen groeperen eerst samen in kleine clusters - een proces dat nucleatie wordt genoemd. Maar om precies te begrijpen hoe een dergelijke atomaire ordening ontstaat uit de chaos van willekeurig bewegende atomen, is wetenschappers lang ontgaan.

Klassieke kiemvormingstheorie suggereert dat kristallen één atoom tegelijk vormen, het niveau van de bestelling gestaag opvoeren. Moderne studies hebben ook een nucleatieproces in twee stappen waargenomen, waar een tijdelijke, hoogenergetische structuur vormt eerst, die dan verandert in een stabiel kristal. Maar volgens een internationaal onderzoeksteam onder leiding van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab), het echte verhaal is nog ingewikkelder.

Hun bevindingen, onlangs gerapporteerd in het tijdschrift Wetenschap , onthullen dat in plaats van één voor één te groeperen of een enkele onomkeerbare overgang te maken, goudatomen zullen in plaats daarvan zichzelf organiseren, uit elkaar vallen, hergroeperen, en dan vele malen reorganiseren voordat een stabiele, kristal besteld. Met behulp van een geavanceerde elektronenmicroscoop de onderzoekers waren getuige van deze snelle, omkeerbaar kiemvormingsproces voor de eerste keer. Hun werk biedt tastbare inzichten in de vroege stadia van veel groeiprocessen zoals dunnefilmafzetting en vorming van nanodeeltjes.

"Terwijl wetenschappers materie op kleinere lengteschalen proberen te beheersen om nieuwe materialen en apparaten te produceren, deze studie helpt ons precies te begrijpen hoe sommige kristallen zich vormen, " zei Peter Ercius, een van de hoofdauteurs van de studie en een stafwetenschapper bij de Molecular Foundry van Berkeley Lab.

In overeenstemming met het conventionele begrip van wetenschappers, zodra de kristallen in de studie een bepaalde grootte hadden bereikt, ze keerden niet meer terug naar de ongeordende, onstabiele toestand. Won Chul Lee, een van de professoren die het project begeleidt, beschrijft het als volgt:als we ons elk atoom voorstellen als een Legoblokje, dan in plaats van een huis steen voor steen te bouwen, het blijkt dat de stenen herhaaldelijk in elkaar passen en weer uit elkaar vallen totdat ze eindelijk sterk genoeg zijn om bij elkaar te blijven. Zodra de basis is gelegd, echter, er kunnen meer stenen worden toegevoegd zonder de algehele structuur te verstoren.

De onstabiele structuren waren alleen zichtbaar vanwege de snelheid van nieuw ontwikkelde detectoren op de TEAM I, een van 's werelds krachtigste elektronenmicroscopen. Een team van interne experts leidde de experimenten in het National Center for Electron Microscopy in de Molecular Foundry van Berkeley Lab. Met behulp van de TEAM I-microscoop, onderzoekers legden realtime vast, beelden met atomaire resolutie met snelheden tot 625 frames per seconde, wat uitzonderlijk snel is voor elektronenmicroscopie en ongeveer 100 keer sneller dan eerdere studies. De onderzoekers observeerden individuele goudatomen terwijl ze zich vormden tot kristallen, uiteengevallen in afzonderlijke atomen, en vervolgens keer op keer hervormd in verschillende kristalconfiguraties voordat ze uiteindelijk stabiliseerden.

"Langzame waarnemingen zouden dit heel snel missen, omkeerbaar proces en zie alleen een vervaging in plaats van de overgangen, wat verklaart waarom dit nucleatiegedrag nog nooit eerder is waargenomen, ' zei Ercius.

De reden achter dit omkeerbare fenomeen is dat kristalvorming een exotherm proces is, dat wil zeggen:het maakt energie vrij. In feite, de energie die vrijkomt wanneer atomen zich hechten aan de kleine kernen, kan de lokale "temperatuur" verhogen en het kristal smelten. Op deze manier, het initiële kristalvormingsproces werkt tegen zichzelf, vaak fluctuerend tussen orde en wanorde voordat een kern wordt gebouwd die stabiel genoeg is om de hitte te weerstaan. Het onderzoeksteam valideerde deze interpretatie van hun experimentele waarnemingen door berekeningen uit te voeren van bindingsreacties tussen een hypothetisch goudatoom en een nanokristal.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers ontwikkelen nog snellere detectoren die kunnen worden gebruikt om het proces met hogere snelheden in beeld te brengen. Dit zou hen kunnen helpen begrijpen of er meer kenmerken van nucleatie verborgen zijn in de atomaire chaos. Het team hoopt ook soortgelijke overgangen in verschillende atomaire systemen te ontdekken om te bepalen of deze ontdekking een algemeen proces van kiemvorming weerspiegelt.

Een van de hoofdauteurs van het onderzoek, Jungwon-park, vatte het werk samen:"Vanuit een wetenschappelijk oogpunt, ontdekten we een nieuw principe van kristalkiemvormingsproces, en we hebben het experimenteel bewezen."