Avbildning i atomskala avslører en enkel vei til krystalldannelse

Hva har skyer, TV-apparater, legemidler og til og med skitten under føttene våre til felles? De har alle eller bruker krystaller på en eller annen måte. Krystaller er mer enn bare fancy edelstener. Skyer dannes når vanndamp kondenserer til iskrystaller i atmosfæren. Flytende krystall-skjermer brukes i en rekke elektronikk, fra TV-er til instrumentpaneler. Krystallisering er et viktig skritt for oppdagelse og rensing av legemidler. Krystaller utgjør også bergarter og andre mineraler. Deres avgjørende rolle i miljøet er et fokus for materialvitenskap og helsevitenskapelig forskning.

Forskere har ennå til fulle å forstå hvordan krystallisering skjer, men betydningen av overflater for å fremme prosessen har lenge vært anerkjent. Forskning fra Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), University of Washington (UW) og Durham University kaster nytt lys over hvordan krystaller dannes på overflater. Resultatene deres ble publisert i Vitenskapens fremskritt.

Tidligere studier på krystallisering førte til at forskere dannet den klassiske kjernedannelsesteorien – den dominerende forklaringen på hvorfor krystaller begynner å dannes, eller kjernedannelse. Når krystaller kjernener, begynner de som svært små flyktige klynger med bare noen få atomer. Deres liten størrelse gjør klyngene ekstremt vanskelige å oppdage. Forskere har klart å samle bare noen få bilder av slike prosesser.

“Nye teknologier gjør det mulig å visualisere krystalliseringsprosessen som aldri før,” sa kjemiker Ben Legg ved PNNL Physical Sciences Division. Han samarbeidet med PNNL Battelle Fellow og UW-tilknyttet professor James De Yoreo for å gjøre nettopp det. Ved hjelp av professor Kislon Voitchovsky fra Durham University i England brukte de en teknikk kalt atomkraftmikroskopi å se kjernedannelsen av et aluminiumhydroksidmineral på en glimmeroverflate i vann.

Glimmer er et vanlig mineral, som finnes i alt fra gips til kosmetikk. Det gir ofte en overflate for andre mineraler å kjerne og vokse. For denne studien var imidlertid dens viktigste funksjon dens ekstreme flat overflatesom gjorde det mulig for forskere å oppdage få-atom-klyngene da de ble dannet på glimmeren.

Det Legg og De Yoreo observerte var et krystalliseringsmønster som ikke var forventet fra klassisk teori. I stedet for en sjelden hendelse der en klynge av atomer når en kritisk størrelse og deretter vokser over overflaten, så de tusenvis av fluktuerende klynger som smeltet sammen til et uventet mønster med hull som vedvarte mellom krystallinske «øyer».

Etter nøye analyse av resultatene, konkluderte forskerne at selv om visse aspekter av den nåværende teorien holdt til, fulgte systemet deres til slutt en ikke-klassisk vei. De tilskriver dette elektrostatiske krefter fra ladninger på glimmeren flate. Fordi mange typer materialer danner ladede overflater i vann, antar forskerne at de observerte et utbredt fenomen og er spente på å se etter andre systemer der denne ikke-klassiske prosessen kan forekomme.

“Antakelser fra klassisk kjernedannelsesteori har vidtrekkende implikasjoner i disipliner som spenner fra materialvitenskap til klimaprediksjon,” sa De Yoreo. “Resultatene fra våre eksperimenter kan bidra til å produsere mer nøyaktige simuleringer av slike systemer.”

---

---