När forskare talar om kristaller menar de ofta enkristaller. Dessa högordnade strukturer består av atomer, molekyler eller joner arrangerade i ett repetitivt, tredimensionellt mönster. Eftersom deras återkommande byggstensenheter är regelbundna och staplas snyggt ovanpå varandra, tenderar enkristaller att vara starka, enhetliga och lätta att karakterisera.
Men naturen ger sällan perfekta enkristaller. Istället kommer material ofta som polykristallina aggregat, en samling av mindre, slumpmässigt orienterade enkristaller.
Den skillnaden spelar roll eftersom egenskaperna hos ett material starkt beror på hur dess atomer eller molekyler packar ihop. Till exempel beror prestandan hos kiselsolceller och lysdioder på storleken och orienteringen av materialets små enkristaller.
Nu beskriver forskare som rapporterar i tidskriften ACS Nano hur de filmade tillväxten av kristaller. Teamet, ledd av Yassar Dahman från University of Virginia, använde en mikroskopimetod som kallas atomkraftsmikroskopi för att se hur små kristaller bildas på ett kiselsubstrat.
Atomkraftsmikroskop använder en vass konsol, liknande den i ett skanningssondsmikroskop, för att skanna ytan. När konsolen rör sig över ett prov, justeras dess vertikala position efter behov för att upprätthålla en konstant kraft mellan spetsen och ytan. Den resulterande datan kan sedan användas för att bestämma hur yttopografin varierar längs skanningen.
Gruppen ställde in sitt instrument för att skanna ett område som är något större än 2 mikrometer på en sida, varannan millisekund - en process som de fortsatte i mer än en halvtimme. Forskarnas video visar hur nanometerskaliga kristallina öar bildas på substratet. Videon avslöjar också att öarna växer snabbt, smälter samman med varandra och rör sig runt ytan när materialet omarrangerar sig och så småningom bildar större och mer perfekta kristaller.
"Du kan se en liten ö kärnor, och den kommer att börja växa och så småningom träffa en annan ö och smälta samman med den", säger Dahman.
Dahman noterar att filmens tidsskala är storleksordningar snabbare än den för andra tekniker som används för att avbilda rörelser av atomer på ytor, såsom scanning tunneling mikroskopi. "Det vi visar här skiljer sig mycket från vad vi ser med de teknikerna, som visar statiska bilder eftersom de sonderar ytan väldigt långsamt", säger han. "Vi ser en film istället för en stillbild."
Tekniken avslöjar också att öarna till en början har olika strukturer, men sedan tar den mest stabila strukturen över när kristallerna växer sig större, säger Dahman. "Den stabilare strukturen är den med lägre ytenergi", förklarar han.
Dahman säger att teamet hoppas kunna använda den nya mikroskopimetoden för att studera hur olika material växer i realtid, för att lära sig mer om varför material antar specifika kristallstrukturer och för att designa bättre material för olika applikationer.
Matthew J. Highland vid University of Chicago, som inte var involverad i forskningen, säger att arbetet är "mycket spännande" och "spännande".
"Förmågan att observera utvecklingen av kristalltillväxt in situ på nanoskala är av stort värde för fältet", säger han. Och även om forskarna avbildade kristaller som växer på kisel, noterar Highland att "denna teknik är lika tillämplig på en mängd andra materialsystem, inklusive organiska halvledare, metalloxider och till och med biomolekyler."
