När material når extremt små skalor, konstiga saker börjar hända. Ett av dessa fenomen är bildandet av mesokristaller.

Trots att den består av separata individuella kristaller, mesokristaller går samman för att bilda en större, smält struktur som beter sig som en ren, enkristall. Dock, dessa processer sker i skalor som är alldeles för små för att det mänskliga ögat ska kunna se och deras skapelse är extremt utmanande att observera.

På grund av dessa utmaningar, forskare hade inte kunnat bekräfta exakt hur mesokristaller bildas.

Nu använde ny forskning av ett Pacific Northwest National Laboratory (PNNL)-ledda team avancerad transmissionselektronmikroskopi (TEM) för att se mesokristaller bildas i lösning i realtid. Det de såg strider mot konventionell visdom och deras insikter skulle en dag kunna hjälpa forskare att designa material för energilagring och förstå hur mineraler i jord bildas.

Istället för att enskilda kristaller bildar kärnor, steget som börjar kristallbildningen, och sedan slumpmässigt aggregeras till mesokristaller i två orelaterade steg, forskarna observerade att kärnbildning och vidhäftning var nära kopplade till att bilda dessa mycket enhetliga strukturer. Forskarna rapporterade sitt arbete den 18 februari, 2021 års nummer av Natur .

"Våra fynd identifierar en viktig ny väg för kristallisering genom partikelbindning och löser nyckelfrågor om mesokristallbildning, " sa materialforskaren Guomin Zhu från PNNL och University of Washington. Han var en del av forskargruppen ledd av Jim De Yoreo, PNNL materialforskare och meddirektör för Northwest Institute for Materials Physics, Kemi, och teknik. "Vi misstänker att detta är ett utbrett fenomen med betydande implikationer både för syntesen av designade nanomaterial och för förståelsen av naturlig mineralisering, " tillade Zhu.

Se kristallisering i realtid

Projektet tog år att genomföra och krävde betydande problemlösning. För mikroskopiexperimenten, det vetenskapliga laget valde ett modellsystem som inkluderade hematit, en järnförening som vanligtvis finns i jordskorpan, och oxalat, en naturligt riklig förening i jord.

De visualiserade processen med in situ TEM, vilket ger forskare möjligheten att se kristallisation på nanometerskala när det händer. De kombinerade denna realtidsmetod med "frys-och-se" TEM som gjorde det möjligt för dem att följa en enskild kristall vid olika punkter under tillväxten. Teoretiska beräkningar hjälpte till att fullborda bilden, låter PNNL-teamet sätta ihop hur mesokristallerna växte.

Forskare kör i allmänhet de flesta in situ TEM-experiment vid rumstemperatur för att förenkla experimentuppställningen och minimera risken för att skada det känsliga instrumentet, men mesokristallbildning som är tillräckligt snabb för att observera sker vid cirka 80 °C.

"Den extra utrustningen som användes för att värma proverna gjorde experimenten extremt utmanande, men vi visste att data skulle vara nyckeln till att förstå hur mesokristallerna bildades, " sa Zhu.

När den väl har värmts upp, de nya hematit nanokristallerna gör det lätt för dem att snabbt fästa ihop, vilket leder, i genomsnitt, till slutliga mesokristaller av ungefär samma storlek och form.

Mesokristaller i naturen

Den kemiska nyckeln till denna snabba, tillförlitlig vidhäftning är de oxalatmolekyler som finns i lösningen. Efter att de första små kristallerna bildats, oxalattillsatserna hjälper till att skapa en kemisk gradient i gränsytan mellan vätskan och den växande kristallen. Fler kemiska komponenter som behövs för partikelkärnbildning ligger kvar nära kristallerna, vilket dramatiskt ökar sannolikheten för att nya partiklar bildas nära befintliga.

Även om denna kristalltillväxtväg observerades under kontrollerade förhållanden i mycket små skalor, det förekommer troligen också i naturliga system, enligt forskarna. Vissa mineralfyndigheter, inklusive en australisk hematitavlagring, innehåller mesokristaller. Med tanke på det naturliga överflödet av oxalat och PNNL-teamets observation att hematit kan bli mesokristaller vid temperaturer så låga som 40 °C, det verkar rimligt att denna bildningsväg förekommer i naturen.

Eftersom mesokristaller finns i hela naturen, rönen kan tillämpas för att förstå näringsämnenas kretslopp i miljön, bland andra applikationer. Dessutom, vägen till att skapa nästan enhetliga komplexa strukturer kräver en förståelse för hur metoder för att forma sådana material fungerar och hur man kontrollerar dem. Alltså detta arbete, med stöd av det amerikanska energidepartementet, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Avdelningen för kemivetenskap, Geovetenskap, och biovetenskap, öppnar nya möjligheter att avsiktligt skapa mesokristaller eller mesokristallliknande material.