Många snäckskal, mineraler, och halvledarnanomaterial består av mindre kristaller, som sätts ihop som pusselbitarna. Nu, forskare har mätt krafterna som får kristallerna att samlas, avslöjar en orkester av konkurrerande faktorer som forskare kanske kan kontrollera.

Arbetet har en mängd olika implikationer inom både upptäckt och tillämpad vetenskap. Förutom att ge insikter i bildandet av mineraler och halvledarnanomaterial, det kan också hjälpa forskare att förstå jorden när den expanderar och dras ihop genom vätnings- och torkningscykler. I det tillämpade området, forskare kan använda principerna för att utveckla nya material med unika egenskaper för energibehov.

Resultaten, publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences i juli, beskriv hur arrangemanget av atomerna i kristallerna skapar krafter som drar ihop dem och riktar in dem för dockning. Studien avslöjar hur attraktionen blir starkare eller svagare när vatten värms upp eller salt tillsätts, båda är vanliga processer i den naturliga världen.

Det multinationella teamet, ledd av kemister Dongsheng Li och Jaehun Chun från Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory, utforskade attraktionskrafterna mellan två kristallpartiklar gjorda av glimmer. Ett flagigt mineral som ofta används i elektrisk isolering, detta kiselbaserade mineral är välstuderat och lätt att arbeta med eftersom det flisas av i platta bitar med nästan perfekta kristallytor.

Krafter och ansikten

Kristallisering sker ofta genom sammansättning av mångfacetterade byggstenar:vissa ytor på dessa mindre kristaller stämmer bättre överens med andra, som legoklossar gör. Li och Chun har studerat en specifik kristalliseringsprocess som kallas orienterad anknytning. Bland andra särdrag, orienterad fästning uppstår när mindre underenheter av spirande kristaller riktar in sina bästa matchande ytor innan de klickar ihop.

Processen skapar olika olinjära former:nanotrådar med grenar, galler som ser ut som komplicerade bikakor, och tetrapods – små strukturer som ser ut som fyrarmade leksaksuttag. De molekylära krafter som bidrar till denna självmontering är inte väl förstådda.

Molekylära krafter som spelar in kan attrahera eller stöta bort de små kristallbyggstenarna till eller från varandra. Dessa inkluderar en mängd lärobokskrafter som van der Waals, vätebindning, och elektrostatisk, bland andra.

För att utforska krafterna, Li, Chun och kollegor fräste platta ytor på små skivor av glimmer och satte dem på en enhet som mäter attraktionen mellan två delar. Sedan mätte de attraktionen samtidigt som de vred ansiktena i förhållande till varandra. Experimentet gjorde det möjligt för glimmern att badas i en vätska som innehåller olika salter, låta dem testa verkliga scenarier.

Skillnaden i detta arbete var vätskeuppsättningen. Liknande experiment av andra forskare har gjorts torrt under vakuum; i det här arbetet, vätskan skapade förhållanden som bättre simulerar hur riktiga kristaller bildas i naturen och i stora industriella metoder. Teamet utförde några av dessa experiment på EMSL, the Environmental Molecular Sciences Laboratory, en DOE Office of Science User Facility på PNNL.

Twist och salt

En av de första sakerna som teamet fann var att attraktionen mellan två glimmerbitar steg och föll när ansiktena vred sig i förhållande till varandra, som när man försöker göra en smörgås av två platta kylskåpsmagneter (fortsätt, försök). Faktiskt, attraktionen steg och föll var 60:e grader, som motsvarar mineralets inre arkitektur, som är nästan sexkantig som en bikakecell.

Även om andra forskare för mer än ett decennium sedan förutspådde att denna cykliska attraktion skulle hända, detta är första gången forskare mätte krafterna. Att känna till styrkornas styrka är nyckeln till att manipulera kristallisering i en forsknings- eller industriell miljö.

Men andra saker surrade också i glimmerfacket. Mellan de två ytorna, den flytande miljön hyste elektriskt laddade joner från salter, normala element som finns under kristallisation i naturen. Vattnet och jonerna bildade ett något stabilt lager mellan ytorna som delvis höll dem åtskilda. Och när de gick mot varandra, de två glimmerytorna stannade där, balanserad mellan molekylär attraktion och repulsion av vatten och joner.

Teamet fann också att de kunde manipulera styrkan i den attraktionen genom att ändra typen av joner, deras koncentration, och temperaturen. Olika typer av joner och deras koncentrationer förändrade den elektrostatiska repulsionen mellan glimmerytorna. Storleken på jonerna och hur många laddningar de bar på skapade också mer eller mindre utrymme i det ingripande lagret.

Slutligen, högre temperaturer ökade styrkan på attraktionen, i motsats till hur temperaturen beter sig i enklare, mindre komplexa scenarier. Forskarna byggde en modell av de konkurrerande krafterna som inkluderade van der Waals, elektrostatisk, och hydreringskrafter.

I framtiden, forskarna säger, principerna från denna studie kan tillämpas på andra material, som skulle beräknas för materialet av intresse. Till exempel, manipulering av attraktionen kan tillåta forskare att specialbygga kristaller av önskade storlekar och former och med unika egenskaper. Övergripande, verket ger insikter i kristalltillväxt genom nanopartikelmontering i syntetiska, biologisk, och geokemiska miljöer.