VIDEO: Revelación del Nano Big Bang: los científicos observan los primeros milisegundos de formación de cristales

VIDEO: Revelación del Nano Big Bang: los científicos observan los primeros milisegundos de formación de cristales

marzo 28, 2021 0 Por RenzoC

Cuando cultivamos cristales, los átomos primero se agrupan en pequeños grupos, un proceso llamado nucleación. Pero la comprensión exacta de cómo surge este orden atómico del caos de átomos en movimiento aleatorio ha eludido a los científicos durante mucho tiempo.

La teoría clásica de la nucleación sugiere que los cristales forman un átomo a la vez, aumentando constantemente el nivel de orden. Los estudios modernos también han observado un proceso de nucleación de dos pasos, en el que primero se forma una estructura temporal de alta energía, que luego se transforma en un cristal estable. Pero según un grupo de investigación internacional codirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab), la historia real es aún más complicada.

Sus hallazgos, publicados recientemente en la revista Science, revelan que en lugar de agruparse uno por uno o hacer una sola transición irreversible, los átomos de oro se autoorganizan, se desmoronan, se agrupan y luego se reorganizan muchas veces antes de establecer un establo. , cristal ordenado. Usando un microscopio electrónico avanzado, los investigadores presenciaron este proceso de nucleación rápido y reversible por primera vez. Su trabajo proporciona información tangible sobre las primeras etapas de muchos procesos de crecimiento, como la deposición de películas delgadas y la formación de nanopartículas.

“A medida que los científicos intentan controlar la materia a escalas de menor longitud para producir nuevos materiales y dispositivos, este estudio nos ayuda a comprender exactamente cómo se forman algunos cristales”, dijo Peter Ercius, uno de los autores principales del estudio y científico del estudio. la Fundición Molecular del Laboratorio de Berkeley.

De acuerdo con la comprensión convencional de los científicos, una vez que los cristales en el estudio alcanzaron un cierto tamaño, nunca volvieron a su estado desordenado e inestable. Won Chul Lee, uno de los profesores que lidera el proyecto, lo describe de esta manera: si imaginamos cada átomo como un ladrillo de Lego, entonces en lugar de construir una casa un ladrillo a la vez, resulta que los ladrillos encajan repetidamente y separarse, separarse de nuevo hasta que finalmente sean lo suficientemente fuertes como para estar juntos. Sin embargo, una vez que se han establecido los cimientos, se pueden agregar más ladrillos sin interrumpir la estructura general.

Imágenes de un video en cámara lenta del proceso de formación de cristales de Au reversibles a escala atómica. (Crédito: Berkeley Lab)

Las estructuras inestables solo eran visibles debido a la velocidad de los detectores recientemente desarrollados en TEAM I, uno de los microscopios electrónicos más poderosos del mundo. Un equipo de expertos internos dirigió los experimentos en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica en la Fundición Molecular en Berkeley Lab. Usando el microscopio TEAM I, los investigadores capturaron imágenes en tiempo real con resolución atómica a velocidades de hasta 625 cuadros por segundo. , que es excepcionalmente rápido para la microcopia electrónica y aproximadamente 100 veces más rápido que los estudios anteriores. Los investigadores observaron átomos de oro individuales a medida que se formaban en cristales, se separaban en átomos individuales y luego se reformaban una y otra vez en diferentes configuraciones cristalinas antes de asentarse finalmente.

“Las observaciones más lentas perderían este proceso muy rápido y reversible y solo verían borrosidad en lugar de transiciones, lo que explica por qué este comportamiento de nucleación nunca se ha visto antes”, dijo Ercius.

La razón detrás de este fenómeno reversible es que la formación de cristales es un proceso exotérmico, lo que significa que libera energía. De hecho, la misma energía liberada cuando los átomos se adhieren a núcleos diminutos puede elevar la “temperatura” local y derretir el cristal. De esta manera, el proceso inicial de formación de cristales actúa en contra de sí mismo, oscilando entre el orden y el desorden muchas veces antes de construir un núcleo lo suficientemente estable como para resistir el calor. El equipo de investigación validó esta interpretación de sus observaciones experimentales realizando cálculos de las reacciones de enlace entre un hipotético átomo de oro y un nanocristal.

Ahora, los científicos están desarrollando detectores aún más rápidos que podrían usarse para visualizar el proceso a velocidades más altas. Esto podría ayudarlos a descubrir si hay más características de nucleación ocultas en el caos atómico. El equipo también espera identificar transiciones similares en diferentes sistemas atómicos para determinar si este descubrimiento refleja un proceso de nucleación general.

Uno de los autores principales del estudio, Jungwon Park, resumió el trabajo: “Desde un punto de vista científico, hemos descubierto un nuevo principio del proceso de nucleación de cristales y lo hemos demostrado experimentalmente”.

La colaboración de investigación fue realizada por Berkeley Lab en colaboración con la Universidad Hanyang de Corea del Sur, la Universidad Nacional de Seúl y el Instituto de Ciencias Básicas.

Molecular Foundry es una estructura de usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

Este trabajo fue apoyado principalmente por la Fundación Nacional de Investigación de Corea. El trabajo en Molecular Foundry fue apoyado por el Departamento de Ciencias Energéticas de los Estados Unidos, Oficina de Ciencias Energéticas Básicas. El Instituto de Ciencias Básicas (Corea), la Fundación de Ciencia y Tecnología de Samsung y la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. Proporcionaron fondos adicionales.