视频:揭示纳米大爆炸 - 科学家观察第一毫秒的晶体形成

当我们生长晶体时,原子首先组合成小簇 - 一种称为成核的过程。但是,了解这些原子序如何从随机移动原子的混乱中出现,具有长期的核心科学家。

古典成核理论表明,晶体一次形成一个原子,稳步增加顺序水平。现代研究还观察到两步成核过程,其中临时,高能量结构首先形成,然后变成稳定的晶体。但根据能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)联合主导的国际研究团队,真正的故事更加复杂。

他们最近的发现 在科学杂志中报道揭示了这一点而不是一对一的单一或单一不可逆的过渡,金原子将相反,将自组织,崩溃,重新组合,然后在建立稳定的有序水晶之前重新组织多次。使用先进的电子显微镜,研究人员首次目睹了这种快速,可逆的成核过程。他们的工作为许多生长过程的早期阶段提供了有形的见解,例如薄膜沉积和纳米粒子形成。

“由于科学家寻求以较小的长度尺度控制物质来生产新材料和设备,这项研究有助于我们确切地了解一些晶体形式,” Peter Ercius.,其中一项研究的引导作者和伯克利实验室的工作人员科学家 分子铸造厂.

符合科学家的传统理解,一旦研究中的晶体达到一定尺寸,它们就不再恢复到无序,不稳定的状态。一位引导该项目的教授之一赢得了Chul Lee:如果我们想象每个原子作为乐高砖,那么而不是一次建造一块砖,事实证明,砖块反复配合并打破再次分开,直到它们终于足够强大,以保持在一起。但是,一旦基础被设定,就可以添加更多砖块而不会破坏整体结构。

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仍然来自原子秤上可逆的Au晶体形成过程的慢动作视频。 (信誉:伯克利实验室)

由于新开发的探测器在团队中的速度,我最强大的电子显微镜之一,因此只能看到不稳定的结构。内部专家团队在伯克利实验室的分子铸造中指导了国家电子显微镜中心的实验。使用The Team I显微镜,研究人员在每秒最高625帧的速度下捕获实时原子分辨率图像,电子显微镜的极快比以前的研究更快地快速快速。研究人员在形成晶体中观察到单个金色原子,分开分开单独的原子,然后在最终稳定之前再次重新改造不同的晶体构型。

“观察较慢的观察会错过这种非常快速,可逆的过程,只需看到一个模糊而不是过渡,这解释了为什么以前从未见过这种成核行为,”埃尔科斯说。

这种可逆现象背后的原因是晶体形成是一种放热过程 - 即它释放能量。事实上,当原子附着到微小核时释放的能量可以提高局部的“温度”并熔化晶体。以这种方式,初始晶体形成过程适用于自身,在建立足够稳定以承受热量的核心之前多次波动秩序和紊乱之间的波动。研究团队通过在假设的金原子和纳米晶体之间进行结合反应的计算验证了对实验观察的解释。

现在,科学家正在开发更快的探测器,可用于以更高的速度映像过程。这可以帮助他们了解是否存在隐藏在原子混乱中的成核的特征。该团队还希望发现不同原子系统中的类似转变,以确定这一发现是否反映了核心的一般过程。

其中一项研究的引导作者,Jungwon Park,总结了工作:“从科学的角度来看,我们发现了一个新的水晶成核过程的原则,我们通过实验证明了它。”

研究合作由伯克利实验室与韩国汉阳大学,首尔国立大学和基本科学研究所合作。

分子铸造厂是一个科学用户设施的DOE办事处。

这项工作主要由韩国国家研究基金会支持。在分子铸造厂的工作得到了美国能源厅,基本能源科学办公室的支持。基础科学研究所(韩国),三星科技基金会和美国国家科学基金会提供了额外的资金。



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