Wetenschappers observeren hoe blobs kristallen vormen en ontdekken een nieuw kristaltype

Kristallen – van suiker en tafelzout tot sneeuwvlokken en diamanten – groeien niet altijd op een eenvoudige manier. Onderzoekers van de New York University hebben deze reis vastgelegd van amorfe blob naar ordelijke structuren in een nieuwe studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

Bij het onderzoeken van hoe kristallen zich vormen, kwamen de onderzoekers ook een ongebruikelijk, staafvormig kristal tegen dat nog niet eerder was geïdentificeerd, en noemde het “zangeniet” voor de NYU-afgestudeerde student die het ontdekte.

Bestel bij chaos

Kristallen zijn vaste materialen die bestaan ​​uit deeltjes die zich regelen in herhalende patronen. Dit proces van zelfassemblage-‘orkestrerende volgorde van chaos’, zoals de onderzoekers het beschrijven-dacht ooit een voorspelbaar, klassiek groeipatroon te volgen. Maar in plaats van altijd de bouwsteen te vormen per bouwsteen, leren wetenschappers dat kristallen door meer complexe paden kunnen groeien.

Om de vorming van kristallen te bestuderen, gebruiken sommige onderzoekers kristallen die bestaan ​​uit kleine bollen die colloïdale deeltjes worden genoemd, die klein maar veel groter zijn dan de atomen die andere kristallen vormen.

“Het voordeel van het bestuderen van colloïdale deeltjes is dat we kristallisatieprocessen kunnen observeren op een niveau van één deeltjes, wat zeer moeilijk te doen is met atomen omdat ze te klein en snel zijn. Met colloïden kunnen we kristallen zien vormen met onze microscoop,” zei Stefano Sacanna, professor van chemie bij NYU.

Een proces in twee stappen

Om licht te werpen op hoe colloïdale kristallen zich vormen, voerden de onderzoekers experimenten uit om zorgvuldig te observeren hoe geladen colloïdale deeltjes zich gedragen in verschillende groeicondingen als ze overgaan van zoutwater suspensies naar volledig gevormde kristallen. Het team liep ook duizenden computersimulaties – geleid door Glen Hocky, universitair docent chemie aan NYU – om te modelleren hoe kristallen groeien en helpen verklaren wat ze in de experimenten hebben waargenomen.

De onderzoekers bepaalden dat colloïdale kristallen zich vormen door een tweestapsproces: amorfe klodingen van deeltjes eerste condenseren voordat ze transformeren in geordende kristalstructuren, resulterend in een diverse reeks kristalypen en vormen.

Een onverwachte vondst

Tijdens deze experimenten, Ph.D. Student Shihao Zang kwam een ​​staafvormig kristal tegen dat hij niet kon identificeren. Voor het blote oog leek het een kristal dat eerder in het laboratorium was ontdekt, maar bij nader onderzoek was de combinatie van deeltjes anders en de uiteinden van dit kristal bevatten holle kanalen. Zang vergeleek de onbekende structuur met meer dan duizend kristallen in de natuurlijke wereld en kon nog steeds geen match vinden.

Wat betreft de computermodellering van Hocky, simuleerden de onderzoekers een kristal dat exact hetzelfde was, waardoor ze de langere, holle vorm in nog grotere vorm konden bestuderen.

“Dit was een raadsel omdat meestal kristallen dicht zijn, maar deze had lege kanalen die de lengte van het kristal liepen,” zei Hocky, die ook lid is van de faculteit in het Simons Center for Computational Physical Chemistry bij NYU.

“Door deze synergie van experimenten en simulatie realiseerden we ons dat deze kristalstructuur nog nooit eerder was waargenomen,” voegde Sacanna toe.

Ze noemden de nieuw ontdekte Crystal L3S4 op basis van de compositie, maar begonnen informeel het “Zangeniet” te noemen op laboratoriumbijeenkomsten, gezien het feit dat Zang het ontdekte. De naam bleef hangen.

“We bestuderen colloïdale kristallen om de echte wereld van atomaire kristallen na te bootsen, maar we hadden nooit gedacht dat we een kristal zouden ontdekken dat we niet in de echte wereld kunnen vinden,” zei Zang.

De ontdekking van zangeniet creëert een kans om gebruik te verkennen voor holle kristallen met lage dichtheid en kan de weg vrijmaken voor het vinden van extra nieuwe kristallen.

“De kanalen in Zangeniet zijn analoog aan functies in andere materialen die nuttig zijn voor het filteren of omsluiten van dingen erin,” zei Hocky.

“Vroeger dachten we dat het zeldzaam zou zijn om een ​​nieuwe kristalstructuur te observeren, maar we kunnen misschien extra nieuwe structuren ontdekken die nog niet zijn gekarakteriseerd,” zei Sacanna.

Meer in het algemeen houdt een dieper inzicht in hoe de kristallen vormt veelbelovend voor het ontwikkelen van nieuwe materialen, waaronder fotonische bandgap-materialen die fundamenteel zijn voor lasers, vezeloptische kabels, zonnepanelen en andere technologieën die licht overbrengen of oogsten.

De andere auteurs van de studie zijn Sanjib Paul, Cheuk Leung, Michael Chen en Theodore Hueckel.