Som två magneter som dras mot varandra, små kristaller vrider sig, rikta in och slå in i varandra, men på grund av en helt annan kraft. För första gången, forskare har mätt kraften som drar dem samman och visualiserat hur de svänger och anpassar sig.

Kallade van der Waals styrkor, attraktionen ger insikter om hur kristaller självmonteras, en aktivitet som förekommer i ett brett spektrum av fall i naturen, från stenar till snäckor till ben.

"Det är provocerande i den meningen att man från denna typ av mätningar kan bygga en modell för 3D-montering, med partiklar som fäster vid varandra på utvalda sätt som legoklossar, "sa kemisten Kevin Rosso från Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory." Kristaller finns mest överallt i naturen, och detta arbete kommer att hjälpa oss att dra nytta av dessa krafter när vi designar nya material. "

Fusionskraft

Kristaller bildar stödstrukturer i en mängd olika naturliga och syntetiska material. Större kristaller kan byggas upp från mindre. Även om de i allmänhet är formade som kuber, kristaller har flera olika sidor, några av dem matchar bra med varandra och andra som inte gör det. När matchande sidor är rätt orienterade, kristaller kan smälta samman sömlöst, växer sig större och större.

Men vad gör att kristaller kommer nära nog att smälta samman i första hand, och kan de anpassa sig själv? Många typer av krafter har antytts genom åren, men verktygen för att begränsa de korrekta har inte funnits.

Nu, Rosso och team på PNNL, EMSL, the Environmental Molecular Sciences Laboratory, en DOE Office of Science User Facility på PNNL, och University of Pittsburgh utvecklade en ny metod genom att kombinera ett miljööverföringselektronmikroskop, kallas en ETEM, med nanokristallkraftsonder som gör att forskare kan se kristaller interagera i en livliknande situation. PNNL postdoktor Xin Zhang och EMSL-användare Yang He, en Ph.D. student från University of Pittsburgh, använt resurser inom EMSL för att undersöka hur titanoxidkristaller kopplar ihop.

För att förstå deras experiment, tänk dig att hålla två magneter och flytta dem mot varandra. När de är så nära att attraktionskraften övervinner ansträngningen du använder för att hålla dem isär, de hoppar tillsammans. PNNL-teamet gjorde detta, men i mycket mindre skala och med en kraft som inte är magnetism.

Ett litet hopp

Teamet behövde använda mycket små kristaller som inte skulle överväldiga de svaga krafter som de förväntade sig att se. De fäst titanoxidkristaller hundra till tusen gånger tunnare än ett människohår (beroende på håret) på vardera sidan av ett instrument som mäter kraft. Teamet flyttade sedan kristallerna mot varandra, vridna i flera olika vinklar mellan dem, tills de två knäppte ihop.

Teamet drog också isär kristallerna och mätte hur mycket kraft det tog också. Dessa mätningar gjorde det möjligt för forskarna att karakterisera kraften i detalj. Det finns flera olika slags krafter som fungerar för objekt av denna storlek, och med ytterligare analyser kom teamet fram till att krafter som kallas van der Waals var de på jobbet som orsakade självjustering.

Och en twist

Dessutom, de ville sätta ett ansikte åt ett namn, så att säga, av en teoretisk förutsägelse av van der Waals styrkor gjorda på 1970 -talet. Teorin gjorde det möjligt för forskare att beräkna vridmomentet mellan kristaller som vrids i förhållande till varandra (tänk att vrida en baguett för att dra av en bit bröd) baserat på vinkeln mellan dem.

Så laget mätte också kraften mellan två kristaller som hålls på ett konstant avstånd från varandra men vridna i motsatta riktningar från varandra. Medförfattaren till beräkningsfysikern Maria Sushko jämförde data med förutsägelser teorin gjorde och visade att teorin höll i sig.

"Detta är det första måttet och beviset på att kraften beror på hur kristallerna roteras i förhållande till varandra, vad vi kallar rotationsberoende, " sa Rosso. "Om de är rotationsberoende, detta innebär att denna kraft kommer att bidra till att anpassa fria kristaller som stöter ihop i en flytande miljö, till exempel, öka graden av framgångsrik stickning. "

Dessutom, bevisar anslutningen innebär att det blir lättare att bestämma sådana attraktionskrafter för kristaller av olika material, såsom kalciumkarbonat som finns i snäckskal. Forskare kommer att kunna bestämma dessa krafter genom att koppla in siffror i en ekvation istället för att göra om alla experiment.

Studien publiceras i Vetenskap .