Forskare vid University of Bristol har, för första gången, observerade bildandet av en kristallgel med upplösning på partikelnivå, tillåta dem att studera villkoren under vilka dessa nya material bildas.

Studien visade att mekanismen för kristalltillväxt följer samma strategier som iskristaller växer i moln, en analogi som skulle kunna förbättra vår förståelse av dessa grundläggande processer

Dessutom, denna nya mekanism gjorde det möjligt för forskargruppen att spontant bilda svampliknande nanoporösa kristaller i en kontinuerlig process.

Nanoporösa kristaller av metaller och halvledare kan erhållas utan avlegering, vilket kan vara viktigt för katalytisk, optisk, avkänning, och filtreringsapplikationer.

Arbetet är ett samarbete mellan University of Tokyo (där experimenten genomfördes), Bristol och Institutet Lumiere Matiere i Lyon, Frankrike.

Resultaten publiceras idag i tidskriften, Naturmaterial .

Dr John Russo, från University of Bristol's School of Mathematics och medförfattare till forskningsartikeln, sa:"Särskilt observerade vi några nya bildningsmekanismer.

"Vi upptäckte att för att få dessa kristall-gelstrukturer, den ursprungliga gelstrukturen måste genomgå en strukturell omorganisation, där bindningar mellan kolloidala partiklar bryts för att frigöra den inre stress som ackumulerades under geléns snabba tillväxt - en process som kallas stressdrivet åldrande.

"Efter det här, vi observerade att sättet som geléns grenar kristalliserar påminner om processen genom vilken vattendroppar kristalliserar i moln. Vi kunde sedan observera processer som främjar kristallisation genom en mellanliggande gasfas.

"Detta är första gången dessa grundläggande processer observeras vid en upplösning på partikelnivå, vilket ger oss oöverträffad insikt om hur processen går till."

Tidningen rapporterar om experiment på en fas av materia som inte är i jämvikt som erhålls genom att blanda kolloidala partiklar av mikronmeterstorlek, med korta polymerkedjor i ett bra lösningsmedel.

Polymerernas roll är att inducera en effektiv attraktion mellan de kolloidala partiklarna, på grund av en fysisk effekt som kallas utarmning, vars ursprung är rent entropiskt.

I början av experimentet, kolloidala partiklar stöter bort varandra på grund av elektrostatisk repulsion. För att inducera utarmningsattraktionen mellan kolloider, provet sätts i kontakt med en saltlösning genom ett semipermeabelt membran.

När saltet diffunderar genom det semipermeabla membranet, den skärmar av den elektrostatiska repulsionen mellan de kolloidala partiklarna, som sedan börjar samlas.

Hela aggregationsprocessen observeras med ett konfokalmikroskop, som tar snabba skanningar av provet på olika höjder, så att forskarna kan rekonstruera koordinaterna för de kolloidala partiklarna med bildanalys, och studera hur dessa partiklar rör sig under flera timmar.

Om polymerkoncentrationen är hög, systemet kommer att bilda en gel - ett oordnat tillstånd där kolloidala partiklar aggregerar för att bilda sammankopplade grenar som spänner över hela systemet, och som ger styvhet åt strukturen.

Dr Russo tillade:"Vad vi har visat, istället, är att om vi ställer in polymerkoncentrationen till rätt värde (bredvid vad som kallas en kritisk punkt), systemet kommer inte att bilda en annan typ av gel, där de kolloidala partiklarna kristalliserar genom hela gelstrukturen, ger upphov till ett poröst material tillverkat av kristallina grenar."