Omvandling av de flesta material till organiserad kristallin struktur börjar med kärnbildningsprocessen. Ett vardagligt exempel är den snabba kristalliseringen av underkylt vatten efter kärnbildning av en frökristall. Detta fenomen har förbryllat både forskare och vanliga människor. Kärnbildningsprocessen, där atomerna samlas och bildar de minsta kristallerna, har varit ett viktigt vetenskapligt fenomen som har studerats flitigt sedan slutet av 1800-talet.

Den klassiska kärnbildningsteorin säger att sammansättningen av monomerer till en kristallstruktur sker på ett enriktigt sätt. Å andra sidan, det har funnits några som föreslagit att en icke-klassisk kristallisationsprocess som involverar metastabila mellanliggande kristallstrukturer kan förekomma i vissa system. Dock, det har varit extremt svårt att bekräfta dessa teorier genom direkt observation eftersom kärnbildningen sker mycket snabbt, och storleken på en kärna kan vara så liten som några få atomer.

Detta hundraåriga mysterium har äntligen lösts av ett internationellt gemensamt forskarteam ledd av LEE Won Chul, Professor i maskinteknik vid Hanyang University Erica Campus. Det gemensamma forskarteamet har lyckats observera ögonblicket för det initiala tillståndet av nanokristallkärnbildning.

Forskarna lyckades filma processen där guldatomerna samlas för att bilda nanokristaller. För att observera det initiala tillståndet för kärnbildningsprocessen, laget syntetiserade guld nanokristaller genom att sända ut elektronstråle på guldcyanid nanoband på toppen av ett grafenmembran, som bryter ner nanobanden till guldatomer. Det syntetiserade provet observerades med högpresterande transmissionselektronmikroskop (TEM) vid Lawrence Berkeley National Laboratory. Processen registrerades vid en rumslig upplösning på atomnivå och en ultrahög tidsupplösning på en skala av millisekunder.

TEM-observationen visade det plötsliga försvinnandet och återuppträdandet av kristallgitterstrukturer före uppkomsten av en stabil kristallstruktur. Genom noggrann analys, teamet uteslöt vissa faktorer som kan resultera i sådana observationer, såsom orienteringen, luta, och snabb rotation av nanokristaller. Därför, de observerade resultaten verkade indikera att atomerna som utgör kärnan slumpmässigt pendlar mellan de oordnade och kristallina tillstånden. Denna strukturella fluktuation verkade ske spontant på ett stokastiskt sätt. Teamets upptäckt utmanade direkt den långvariga kärnbildningsteorin såväl som en nyare kärnbildningsteori som har föreslagits under de senaste två decennierna.

Dessutom, teamet fann att stabiliteten i det kristallina tillståndet ökade när storleken på nanokristallerna ökade. Till exempel, nanokristallerna med 2,0 nm ² områden tillbringade ungefär hälften av tiden i ett kristallint tillstånd. När kristallstorlekarna ökade till över 4,0 nm ² i området, kristallerna verkade existera för det mesta under en kristallin form.

För att beskriva detta fenomen, laget föreslog en ny termodynamisk teori om kristallkärnbildning. Studien föreslog att energibarriären mellan kristallin till oordnad transformation tenderar att vara mycket låg i det tidigaste skedet av kärnbildning när klusterstorleken är liten och att den ökar när fler atomer läggs till strukturen. Detta kan förklara den spontana fluktuationen mellan kristallina och oordnade tillstånd i begynnande kristaller som består av ett fåtal atomer. Teamet påpekade också i relativt mindre nanokristaller, även tillägg av extra atomer kan överföra tillräckligt med energi till systemet för att omvandla hela strukturen tillbaka till ett oordnat tillstånd. Energibarriären ökar när kristallen växer, vilket minskar sannolikheten för spontan reversion och stabiliserar de kristallina strukturerna i större kristaller.

När det gäller dessa fynd, Prof. Jungwon Park sa, "Från en vetenskaplig synvinkel, vi upptäckte en ny princip för kristallkärnbildningsprocessen, och vi bevisade det experimentellt."

Prof. Won Chul Lee sa, "I en teknisk synvinkel, genom att reproducera det initiala tillståndet av deponeringsprocessen, den kan användas för att uppnå originalteknologi i halvledarmaterial, komponenter, och utrustning."

Denna forskning publicerades i tidskriften Vetenskap den 29 januari, 2021.