När den israeliska forskaren Daniel Shechtman först såg en kvasikristall genom sitt mikroskop 1982, enligt uppgift tänkte han för sig själv, "Eyn chaya kazo"—hebreiska för, "Det kan inte finnas någon sådan varelse."

Men det är, och kvasikristallen har blivit föremål för mycket forskning under de 35 åren sedan Shechtmans Nobelprisvinnande upptäckt. Vad gör kvasikristaller så intressanta? Deras ovanliga struktur:Atomer i kvasikristaller är ordnade på ett ordnat men operiodiskt sätt, till skillnad från de flesta kristaller, som består av en tredimensionell, ordnat och periodiskt (repeterande) arrangemang av atomer.

Uli Wiesners labb, Spencer T. Olin professor i teknik vid institutionen för materialvetenskap och teknik (MSE) vid Cornell University, har anslutit sig till forskare som driver detta relativt nya studieområde. Och ungefär som Shechtman, som upptäckte kvasikristaller när han studerade diffraktionsmönster för aluminium-mangankristaller, Wiesner kom på kvasikristaller lite av en slump.

Medan han arbetade med nanopartiklar av kiseldioxid – av vilka Wiesner-labbets patenterade Cornell-prickar (eller C-punkter) är gjorda – snubblade en av hans elever på en ovanlig icke-periodisk men ordnad kiseldioxidstruktur, styrs av kemiskt inducerad självsammansättning av grupper av molekyler, eller miceller.

"För första gången, vi ser denna [kvasikristallstruktur] i nanopartiklar, som aldrig tidigare setts såvitt vi vet, sade Wiesner, vars forskargrupp fortsatte med att genomföra hundratals experiment för att fånga bildandet av dessa strukturer i tidiga skeden av deras utveckling.

Deras arbete resulterade i ett papper, "Formationsvägar av mesoporös kiseldioxid nanopartiklar med dodekagonal plattsättning, " publicerad 15 augusti in Naturkommunikation . Huvudförfattare är tidigare MSE-doktorand Yao Sun, nuvarande postdoc Kai Ma och doktorand Teresa Kao. Andra bidragsgivare var Lena Kourkoutis, biträdande professor i tillämpad och teknisk fysik; Veit Elser, professor i fysik; och doktorander Katherine Spoth, Hiroaki Sai och Duhan Zhang.

För att studera utvecklingen av kvasikristaller av nanopartiklar av kiseldioxid, den bästa lösningen skulle vara att ta video av tillväxtprocessen, men det var inte möjligt, sa Wiesner.

"Strukturerna är så små, du kan bara se dem genom ett elektronmikroskop, " sa han. "Kisel bryts ned under elektronstrålen, så att titta på en partikel över en längre tidsperiod är inte möjligt."

Lösningen? Gör många experiment, stoppa tillväxtprocessen av kvasikristallerna vid olika punkter, avbildning med transmissionselektronmikroskopi (TEM), och jämföra resultat med datorsimuleringar, dirigerade av Kao. Denna bild, gjort av Sun och Ma, gav teamet en slags time-lapse titt på kvasikristalltillväxtprocessen, som de kunde kontrollera på ett par olika sätt.

Ett sätt var att variera koncentrationen av den kemiska föreningen mesitylen, även känd som TMB, en porexpanderare. Avbildningen, inklusive cryo-TEM utförd av Spoth, visade att när TMB-koncentrationen ökade, miceller blev större och mer heterogena. Att lägga till TMB inducerade fyra mesoporösa nanopartikelstrukturförändringar, börjar som en hexagonal och avslutas som en tolvkantig (12-sidig) kvasikristall.

"Ju mer TMB vi lägger till, ju bredare porstorleksfördelning, Wiesner sa, "och det stör kristallbildningen och leder till kvasikristallerna."

Det andra sättet att få dessa strukturer att utvecklas är mekaniskt. Börjar med en hexagonal kristallstruktur, teamet fann att genom att helt enkelt röra om lösningen mer och kraftigare, de introducerade en störning som också förändrade micellstorleksfördelningen och utlöste samma strukturella förändringar "ända till kvasikristallen, sa Wiesner.

Mycket av upptäckten i detta arbete var "serendipity, Wiesner sa, resultatet av "hundratals och hundratals" tillväxtexperiment genomförda av eleverna.

Ju mer insikt man får om den tidiga bildningen av dessa unika partiklar, ju bättre hans förståelse av kiseldioxidnanopartiklar, som är kärnan i hans grupps arbete med Cornell dots.

"När teknikerna blir bättre, förmågan att se små strukturer och bättre förstå deras monteringsmekanismer förbättras, ", sa han. "Och vad som än hjälper oss att förstå dessa tidiga bildningssteg kommer att hjälpa oss att designa bättre material i slutändan."