Ученые открыли новый способ заглянуть внутрь кристаллов

Новая технология создания 3D-моделей отдельных кристаллов открыла ученым возможность увидеть тонкие отклонения, возникающие в их идеальных структурах.

Исследователи из Нью-Йоркского университета (NYU) вернулись к чертежная доска о том, как заглянуть глубоко внутрь твердых тел, состоящих из повторяющихся единиц, и определить, как они растут.

При короткой длине волны примерно того же размера, что и многие повторяющиеся единицы, составляющие кристаллы, рентгеновские лучи уже давно позволяют ученым делать выводы о том, как компоненты кристалла сочетаются друг с другом, измеряя угол, под которым дифрагируются лучи.

Однако, несмотря на всю свою изобретательность, рентгеновская кристаллография имеет свои ограничения, которые можно суммировать скорее аккуратно в вступительном предложении новой статьи, опубликованной в журнале Nature Materials в этом месяце: «Структуры молекулярных кристаллов идентифицируются с помощью методов рассеяния, потому что мы не можем видеть внутри них».

В статье описывается новый метод, который обещает наконец, меняет этот факт – хотя и не для кристаллов, состоящих из повторяющихся единиц отдельных атомов.

Вместо этого речь идет о кристаллах, состоящих из структур, основанных на коллоидных частицах, которые достаточно велики, чтобы их можно было увидеть под обычным микроскопом и манипулировать ими таким образом, который был бы невозможен для атомов.

Изучение таких кристаллов позволило добиться прогресса в понимании динамики кристаллов. Исследователи ссылаются на эксперименты с коллоидными структурами, которые проливают свет на образование и эволюцию дислокаций внутри кристаллических структур.

Как и рентгеновская кристаллография, этот метод имеет ограничения. Трудности в поиске надежных способов изображения относительно сложных коллоидных кристаллов привели к тому, что их исследования до сих пор в основном ограничивались тонкими простыми структурами, образованными из одной составной частицы.

Многие кристаллы атомного масштаба, напротив, являются состоят из двух или более элементов и образуют сложные трехмерные структуры.

Новая методика, разработанная командой Нью-Йоркского университета, обещает позволить изучать коллоидные аналоги этих относительно сложных решеток. Этот метод основан на некоторых предыдущих работах команды, в которых они разработали процесс, называемый «кулоновская самосборка с полимерным ослаблением», или PACS.

PACS использует электрические заряды отдельных коллоидных частиц, чтобы вовлечь их в кристаллические решетки, позволяющие надежно строить бинарные коллоидные кристаллы – кристаллы, образованные молекулами, состоящими из двух разных видов частиц, точно так же, как, скажем, кристаллы поваренной соли образуются из натрия и хлора.

Новое исследование демонстрирует эффективность внесения в эти отдельные коллоидные частицы флуоресцентного красителя, чтобы отличить один вид от другого – и, что особенно важно, продолжает делать это после того, как они сформировали кристаллы. Это означает, что, наконец, учёные смогут «заглянуть внутрь» полностью сформировавшегося кристалла и провести прямые наблюдения за его внутренностями.

Как сообщают исследователи: «Мы можем различать все частицы внутри двойной системы». ионный кристалл и реконструировать полную внутреннюю трехмерную структуру на глубину примерно 200 слоев».

Команда Нью-Йоркского университета сообщает о нескольких новых открытиях, которые они уже получили в результате наблюдений.

Процесс известный как «двойникование», когда решетки двух кристаллов выравниваются таким образом, что их составные части имеют общую плоскость, уже давно представляет интерес для ученых.

Исследователи описывают создание коллоидных кристаллов, которые воспроизводят кубические структуры атомного масштаба нескольких различных минералов: вышеупомянутая чередующаяся решетка натрия и хлора, образующая поваренную соль; хлорид цезия, где восемь атомов хлора образуют «клетку» вокруг одного атома цезия; и несколько более экзотический пример аурикуприда, соединения меди и золота, где каждая грань кубической решетки атомов золота усеяна одним атомом меди, как игральная кость, где каждая грань равна единице.

В каждом случае команде удалось провести прямые наблюдения за эволюцией двойниковых кристаллов, обеспечив тем самым прямое экспериментальное наблюдение за тем, как возникают такие структуры.

«Это прямое наблюдение однозначно раскрывает внутренние тонкости кристаллической структуры, объясняя взаимосвязь между взаимодействиями частиц и макроскопической формой кристалла, включая возникновение и влияние дефектов и двойникования», — сообщают исследователи.

Группа с нетерпением ждет открытия кристаллов ‘ загадки, спустя более 100 лет после открытия рентгеновских лучей, позволили человечеству получить первое представление о тонкостях кристаллической структуры.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Materials.