Большинству людей знакомы кристаллы в форме соли, сахара, снежинок и сверкающих драгоценных камней, таких как бриллианты. Хотя кристаллизация является повсеместным явлением, то, как именно образуются кристаллы, остается загадкой. Строительные блоки — атомы, молекулы или ионы — из которых состоят кристаллические материалы, очень упорядочены, образуя решетки из равноотстоящих друг от друга строительных блоков. Затем эти решетки накладываются друг на друга, образуя трехмерный твердый материал.
До сих пор исследователи изучали кристаллизацию, исследуя гораздо более крупные частицы, называемые коллоидами. Но наблюдение за тем, как коллоиды самоорганизуются в кристаллы, не дало понимания того, как ведут себя атомы. В то время как кристаллы имеют плоские, однородные поверхности, кристаллические структуры, сделанные из коллоидов микронного размера, имеют тенденцию принимать неоднородные, шероховатые поверхности.
Чтобы получить более глубокое представление о процессе кристаллизации, группа ученых обратилась к наночастицам. Недавние достижения в улучшении жидкофазной ПЭМ позволили наблюдать за наночастицами в режиме реального времени по мере того, как они образуют твердые материалы. Команда потратила годы на оптимизацию процесса, чтобы электронный луч мог видеть частицы, не повреждая их. В новом исследовании исследователи использовали наночастицы различной формы — кубы, сферы и кубы с выемками — чтобы изучить, как форма влияет на поведение. Результаты их работы были опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.
Исследователи впервые визуализировали формирование кристаллов с помощью продвинутого компьютерного моделирования. Затем они провели эксперименты с жидкофазным ПЭМ, чтобы наблюдать за самосборкой наночастиц в режиме реального времени. В экспериментах исследователи заметили, что частицы сталкиваются друг с другом, слипаясь, образуя слои. Затем для формирования послойной кристаллической структуры частицы сначала формировали горизонтальный слой, а затем укладывались вертикально. Иногда, слипшись друг с другом, частицы ненадолго отрываются и падают на слой ниже.
В исследовании использовалась недавно оптимизированная форма жидкофазной просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), чтобы получить беспрецедентное понимание процесса самосборки. До этой работы исследователи использовали микроскопию, чтобы наблюдать, как коллоиды микронного размера, которые в 10-100 раз больше, чем наночастицы, самособираются в кристаллы. Они также использовали рентгеновскую кристаллографию или электронную микроскопию для визуализации отдельных слоев атомов в кристаллической решетке.
