(Berkeley Lab) Wir wissen jetzt, wie sich auf atomarer Ebene Goldkristalle bilden.
Zum ersten Mal haben Wissenschaftler beobachtet – und gefilmt! – die ersten Millisekunden der Goldkristallbildung und stellte fest, dass es viel komplizierter ist, als frühere Untersuchungen vermuten ließen. Anstelle eines einzelnen, irreversiblen Übergangs kommen die Atome zusammen und zerfallen mehrmals wieder, bevor sie sich zu einem Kristall stabilisieren.
Diese Entdeckung hat Auswirkungen sowohl auf die Materialwissenschaft als auch auf die Fertigung, da sie unser Verständnis darüber stärkt, wie Materialien aus einem unordentlichen Haufen von Atomen zusammenkommen.
„Wissenschaftler versuchen, Materie auf kleineren Längenskalen zu kontrollieren, um neue Materialien und Geräte herzustellen. Diese Studie hilft uns dabei, genau zu verstehen, wie manche Kristalle entstehen.“ erklärte der Physiker Peter Ercius des Lawrence Berkeley National Laboratory.
Nach dem klassischen Verständnis der Keimbildung – dem allerersten Teil der Kristallbildung, bei dem Atome beginnen, sich selbst anzuordnen – ist der Prozess ziemlich linear. Unter den richtigen Bedingungen setzt man eine Reihe von Atomen zusammen, die sich nach und nach zu einem Kristall zusammenfügen.
Dieser Vorgang ist jedoch nicht leicht zu beobachten. Es handelt sich um einen dynamischen Prozess, der sowohl räumlich als auch zeitlich auf extrem kleinen Maßstäben abläuft und häufig ein Element der Zufälligkeit beinhaltet. Aber unsere Technologie hat sich so weit verbessert, dass wir jetzt Prozesse auf atomarer Ebene beobachten können.
Erst Anfang des Jahres gab ein Team japanischer Wissenschaftler bekannt, dass sie beobachten konnten Salzkristallkeimbildung . Jetzt hat ein koreanisches und amerikanisches Team unter der Leitung des Ingenieurs Sungho Jeon von der Hanyang-Universität in der Republik Korea dasselbe mit Gold getan.
An Graphen Mithilfe der Begleitfilme züchtete das Team winzige Nanobänder aus Goldcyanid und beobachtete es mit einem der leistungsstärksten Elektronenmikroskope der Welt, dem Berkeley Lab TEAM I . Mit Geschwindigkeiten von bis zu 625 Bildern pro Sekunde (fps) – extrem schnell für Elektronenmikroskopie – hat TEAM I die ersten Millisekunden der Keimbildung unglaublich detailliert erfasst.
Die Ergebnisse waren überraschend. Goldatome würden zu einer Kristallkonfiguration zusammenkommen, auseinanderfallen und in einer anderen Konfiguration wieder zusammenkommen, wobei sich der Vorgang mehrmals wiederholen würde und zwischen ungeordneten und kristallinen Zuständen schwanken würde, bevor sie sich stabilisierten.
Tatsächlich ist es dem, was die japanischen Wissenschaftler bei den Salzkristallen beobachteten, nicht unähnlich; Auch diese Atome schwankten zwischen formlosen und halbgeordneten Zuständen, bevor sie sich zu einem Kristall zusammenschlossen. Aber dieser Vorgang wurde mit 25 fps gefilmt; Die Goldatome schwankten viel, viel schneller.
Laut Ercius hatte nur die Detektorgeschwindigkeit von 625 fps eine Chance, dies zu erreichen.
„Langsamere Beobachtungen würden diesen sehr schnellen, reversiblen Prozess übersehen und statt der Übergänge nur eine Unschärfe erkennen.“ er sagte .
Was verursacht es? Hitze. Keimbildung und Kristallwachstum sind exotherme Prozesse , die Energie in Form von Wärme an ihre Umgebung abgeben. Stellen Sie sich eine wirklich winzige Bombe vor. Dadurch schmelzen die Kristallkonfigurationen immer wieder auf und versuchen sich neu zu bilden.
Der Reformierungsprozess wird jedoch nicht durch die wiederkehrenden Kollisionen eintreffender Atome unterstützt, die den Atomcluster dynamisch zerstören. Irgendwann kommen die Atome jedoch so zusammen, dass sie der dabei freigesetzten Hitze standhalten können.
Und los geht's! Wir haben einen stabilen Goldkristall, auf dem sich weitere Atome aufbauen können, ohne wieder in den ungeordneten Zustand zu verfallen.
„Wir haben herausgefunden, dass die Kristallkeimbildung von Goldclustern auf Graphen durch reversible Strukturschwankungen zwischen ungeordneten und kristallinen Zuständen voranschreitet“, schreiben die Forscher in ihrer Arbeit.
„Unsere Ergebnisse klären grundlegende Mechanismen, die der Keimbildungsphase des Materialwachstums zugrunde liegen, einschließlich Dünnschichtabscheidung, grenzflächeninduzierter Ausfällung und Nanopartikelbildung.“
Ihr nächster Schritt besteht darin, einen noch schnelleren Detektor zu entwickeln, in der Hoffnung, noch mehr verborgene Keimbildungsprozesse aufzuspüren.
Die Forschung des Teams wurde in veröffentlicht Wissenschaft .