Αποκαλύπτοντας το Nano Big Bang – Επιστήμονες παρατηρούν τα πρώτα χιλιοστά του δευτερολέπτου του σχηματισμού κρυστάλλου

Όταν αναπτύσσουμε κρυστάλλους, τα άτομα πρώτα ομαδοποιούνται μαζί σε μικρά σμήνη – μια διαδικασία που αποκαλείται πυρηνοποίηση. Όμως, από καιρό διέφευγε την κατανόηση των επιστημόνων του πώς ακριβώς μια τέτοια ατομική τακτοποίηση αναδύεται από το χάος των τυχαία κινούμενων ατόμων. Η κλασική θεωρία πυρηνοποίησης υποστηρίζει ότι οι κρύσταλλοι διαμορφώνονται με ένα άτομο τη φορά, αυξάνοντας σταθερά το επίπεδο τάξης. Σέ σύγχρονες μελέτες έχει επίσης παρατηρηθεί μια διαδικασία πυρηνοποίησης δύο σταδίων, κατά την οποία πρώτα διαμορφώνεται μια προσωρινώς υψηλής ενέργειας δομή, η οποία στη συνέχεια αλλάζει σε ένα σταθερό κρύσταλλο. Όμως σύμφωνα με μια διεθνή ερευνητική ομάδα, με σημαντικό σε αυτήν το ρόλο του Berkeley Lab, η πραγματική ιστορία είναι ακόμη πιο περίπλοκη.

Τα ευρήματα των μελών της ομάδας αποκαλύπτουν ότι τα άτομα χρυσού, αντί να ομαδοποιούνται μαζί ένα προς ένα ή να πραγματοποιούν μια μόνο μη-αντιστρεπτή μετάβαση, θα αυτο-οργανωθούν, θα διαχωριστούν, θα ομαδοποιηθούν ξανά και στη συνέχεια θα ξανα-οργανωθούν πολλές φορές πριν δημιουργηθεί ένας σταθερός, τακτοποιημένος κρύσταλλος. Χρησιμοποιώντας ένα εξελιγμένο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, οι ερευνητές έγιναν μάρτυρες, για πρώτη φορά, αυτής της ταχείας, αντιστρεπτής διεργασίας πυρηνοποίησης. Η εργασία παρέχει ξεκάθαρη γνώση των πρώιμων σταδίων πολλών αναπτυξιακών διεργασιών όπως η διαμόρφωση λεπτού φιλμ με εναπόθεση νανοσωματιδίων.

«Καθώς οι επιστήμονες αναζητούν να ελέγξουν την ύλη στις μικρότερες κλίμακες για να παραγάγουν υλικά και συσκευές, η μελέτη αυτή βοηθάει να κατανοήσουμε ακριβώς πώς διαμορφώνονται ορισμένοι κρύσταλλοι», θα δηλώσει ένας από τους συγγραφείς της μελέτης, ο Peter Ercius, από το Berkeley Lab. Σύμφωνα με τις συμβατικές γνώσεις των επιστημόνων, μόλις οι κρύσταλλοι στη μελέτη έφθαναν ένα ορισμένο μέγεθος, δεν επέστρεφαν πλέον στην χωρίς τάξη, ασταθή κατάσταση. Να πώς περιγράφει τις παρατηρήσεις ο Won Chul Lee, ένας από τους καθηγητές του προγράμματος: εάν φανταστούμε κάθε άτομο σαν ένα τουβλάκι Lego, τότε αντί του κτισίματος ενός σπιτιού τοποθετώντας ένα τουβλάκι τη φορά, προκύπτει ότι τα τουβλάκια επανειλημμένως εφαρμόζουν μαζί και διαχωρίζονται ξανά μέχρι να είναι τελικά αρκετά ισχυρά για να σταθούν μαζί. Μόλις η βάση γίνει, ωστόσο, περισσότερα τουβλάκια μπορούν να προστίθενται χωρίς να διαταράσσουν την όλη δομή.



Οι ασταθείς δομές είναι ορατές μόνο λόγω της ταχύτητας των νέο-αναπτυχθέντων ανιχνευτών στο TEAM I, ένα από τα πιο ισχυρά ηλεκτρονικά μικροσκόπια του κόσμου. Χρησιμοποιώντας το μικροσκόπιο αυτό, οι ερευνητές συνέλαβαν σε πραγματικό χρόνο εικόνες ατομικής ανάλυσης σε ταχύτητες μέχρι 625 frames το δευτερόλεπτο, που είναι εξαιρετικά γρήγορες για ηλεκτρονικό μικροσκόπιο και περίπου 100 φορές ταχύτερες από ότι σε προηγούμενες μελέτες. Οι ερευνητές παρατήρησαν μεμονωμένα άτομα χρυσού καθώς διαμορφωνόταν σε κρυστάλλους, διαλυόταν σε μεμονωμένα άτομα και στη συνέχεια αναδιαμορφωνόταν και πάλι σε διαφορετικές κρυσταλλικές διευθετήσεις πριν σταθεροποιηθούν τελικά. «Πιο αργές παρατηρήσεις θα χάσουν αυτή την πολύ ταχεία, αντιστρεπτή διεργασία και θα φανεί μόλις μια θολούρα αντί των μεταβάσεων, πράγμα που εξηγεί γιατί αυτή η συμπεριφορά πυρηνοποίησης δεν είχε ποτέ πριν γίνε ορατή», θα σημειώσει ο Ercius.

Η αιτία πίσω από αυτό το αντιστρεπτό φαινόμενο είναι το γεγονός ότι ο σχηματισμός κρυστάλλου είναι μια εξώθερμη διαδικασία – πράγμα που σημαίνει ότι απελευθερώνει ενέργεια. Στην πραγματικότητα, η συγκεκριμένη ενέργεια που απελευθερώνεται όταν τα άτομα συνδέονται με τον πολύ μικρό πυρήνα, μπορεί να ανεβάσει την τοπική «θερμοκρασία» και να λιώσει τον κρύσταλλο. Με αυτό τον τρόπο η αρχική διαμόρφωση του κρυστάλλου λειτουργεί εναντίον του εαυτού της, διακυμαινόμενη μεταξύ τάξης και αταξίας πολλές φορές πριν οικοδομηθεί ένας πυρήνας που είναι αρκετά σταθερός για να αντισταθεί στη θερμότητα. Η ερευνητική ομάδα επιβεβαίωσε αυτή την ερμηνεία των πειραματικών παρατηρήσεων πραγματοποιώντας υπολογισμούς των αντιδράσεων σύνδεσης μεταξύ ενός υποθετικού ατόμου χρυσού και ενός νανοκρυστάλλου.

Τώρα, οι επιστήμονες αναπτύσσουν ακόμη ταχύτερους ανιχνευτές οι οποίοι θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να απεικονιστούν οι διεργασίες σε ακόμη υψηλότερες ταχύτητες. Αυτές θα μπορούσαν να βοηθήσουν να κατανοηθεί αν υπάρχουν περισσότερα χαρακτηριστικά της πυρηνοποίησης που είναι κρυμμένα στο χάος των ατόμων. Η ομάδα ελπίζει επίσης να εντοπίσει παρόμοιες μεταβάσεις σε διαφορετικά ατομικά συστήματα για να προσδιορίσει αν αυτή η ανακάλυψη αντανακλά μια γενική διαδικασία πυρηνοποίησης. «Από μια επιστημονική άποψη, ανακαλύψαμε μια νέα αρχή της διεργασίας κρυσταλλικής πυρηνοποίησης και την αποδείξαμε πειραματικά», θα δηλώσει συνοψίζοντας ο Jungwon Park, ένας εκ των συγγραφέων της μελέτης.