Ett team av forskare vid University of Tokyo och Fudan University har studerat processen för kristallisering när mer än ett strukturellt arrangemang är möjligt. Genom att minska bruset från slumpmässiga fluktuationer, de fann att transienta föregångare till de olika kristallina ordningarna samexisterar och konkurrerar med varandra. Detta arbete kan hjälpa till att leda till effektivare kristallteknikmetoder.

En av de mest populära utställningarna på något geologiskt museum är kristalldelen. Stor, platt, rektangulära eller tetraedriska ytor av en elegant kristall reflekterar underliggande molekylära mönster. Vid närmare påseende, vissa exemplar visar sig vara mosaiker av olika former, som visar att samma atomer kan ordna sig på flera sätt, kallas polymorfism. Faktiskt, alla kristaller är bara återkommande arrangemang av atomer eller större partiklar som vanligtvis växer från mindre frön. Dessa frön fungerar som initiala mallar som gör att nya partiklar kan fästa på rätt platser. Dock, när flera strukturer uppvisar liknande stabilitet, kristallisationsprocessen kan bli extremt komplex.

För att bättre förstå detta, forskare vid University of Tokyo och Fudan University studerade ett experimentellt system bestående av enhetliga poly(metylmetakrylat) kolloidala sfärer. Med hjälp av konfokalmikroskopi, som gör det möjligt att spåra 3D-positionerna för många partiklar samtidigt, tillsammans med kraftfulla datoralgoritmer, teamet observerade en sjudande blandning av konkurrerande strukturer som ständigt bröts och reformerades.

Varje typ av kristallin ordnande prekursor konkurrerade om att skapa tillväxten av den typen av struktur. Forskarna upptäckte att de mellanliggande strukturerna innan kristalliseringen var fullständig visade sig vara blandningar av lokala ordningar som var kortlivade och ofta omvandlade till varandra. "Konkurrens mellan olika kristallordningar sker lokalt och kan maskeras av stora positionsfluktuationer, " säger seniorförfattaren Peng Tan.

För att övervinna detta brus, teamet var tvungen att använda beräkningsmetoder för att korrekt klassificera de olika strukturerna. Den rumsliga samexistensen av faser, tillsammans med nyfunna tidsfluktuationer av konkurrerande order, visar att störning är en inneboende egenskap hos kristallprekursorer.

"Vår metod ger den tydligaste bilden hittills av konkurrensen som kan existera mellan de olika kristallina formerna i ett enda prov, " säger seniorförfattaren Hajime Tanaka. "Denna forskning kan bana väg för nya tillvägagångssätt för industriell produktion av kristallina material."

Verket publiceras i Vetenskapens framsteg som "Avslöjar roller för konkurrerande lokala strukturella ordningar i kristallisering av polymorfa system."