Kijk goed genoeg, en overal in de natuur zie je ingenieuze patronen. Wetenschappers en ingenieurs hebben dit al lang begrepen, maar het nabootsen van Moeder Natuur bij het bouwen van dergelijke patronen - vooral sterk geordende kristalstructuur - is een uitdaging gebleken. Onlangs, Maria Sushko en Kevin Rosso van het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hebben het begrip aanzienlijk verbeterd door de drijvende krachten achter op deeltjes gebaseerde kristalgroei te verduidelijken met hun nieuwe computationele benadering. Ze leerden dat kristalgroei afhangt van de subtiele balans van interacties tussen atomen, ionen, moleculen, en deeltjes. Hun ontdekking houdt een belangrijke belofte in voor het maken van materialen om energie-uitdagingen aan te pakken.

In natuurlijke kristalgroeiprocessen, bouwstenen van nanodeeltjes hechten zich vast langs specifieke kristalvlakken. Door deze voorbeelden te bestuderen, onderzoekers werden geïnspireerd om na te denken over hoe ze vergelijkbare kristalstructuren zouden kunnen creëren voor een reeks praktische toepassingen, waaronder energieopslag. Gewapend met een beter begrip van de fundamentele processen die ten grondslag liggen aan de paden van kristalgroei, onderzoekers konden deze processen beheersen om nieuwe materialen met nauwkeurig detail te synthetiseren. In hun onderzoek hebben Sushko en Rosso ontdekten dat gecoördineerde beweging van ionen dichtbij nanodeeltjes de manier bepaalt waarop nanodeeltjes zich rangschikken in bijpassende kristalvormen en -structuren. Ze ontdekten dat ionen in oplossing de rotatie van nanodeeltjes in een overeenkomende kristaloriëntatie kunnen sturen - het patroon van de natuur precies nabootsend - om perfecte kristallen te produceren.

De ontdekking van de PNNL-onderzoekers biedt belangrijke fundamentele inzichten in geochemische processen die leiden tot mineraalvorming, en helpt bij het creëren van complexe, hiërarchisch, eenkristalstructuren in het laboratorium. Het houdt ook een belofte in voor het uiteindelijk creëren van innovatieve materialen voor consumentenelektronica, batterijen, en meer. Volgens Sushko, hun nieuwe computationele benadering creëert "een nieuw paradigma in op kennis gebaseerde synthese van sterk geordende driedimensionale kristalstructuren" voor een reeks praktische toepassingen in katalyse en energieopslagtechnologieën.

Rosso en Sushko ontwikkelden een nieuw multi-schaal rekenmodel dat de essentiële krachten omvat die tussen atomen werken, moleculen, en deeltjes. Hun aanpak omvat lengteschalen van Angstrom tot een halve micron en is volledig overdraagbaar op een breed scala aan systemen. De methode is diep geworteld in de kwantummechanica en biedt een parametervrije benadering voor het modelleren van experimenteel relevante systemen.

Hun nieuwe computationele benadering is een belangrijke stap in de richting van de ontwikkeling van een uitgebreide theorie van op deeltjes gebaseerde kristallisatie. Toekomstig onderzoek zal het model uitbreiden met een breder scala aan macroscopische krachten, zoals magnetische en elektrische polarisatie. Het model zal ook verder worden toegepast op andere materialen om inzicht te krijgen in verschillende kristallisatieroutes.