När tyska forskare undersökte time-lapse-bilder av upplösande kristaller i nanoskala, de hittade en överraskning:upplösning skedde i pulser, markerade av vågor som sprider sig precis som krusningar på en damm.

"Det vi ser är vågor eller ringar, " sa huvudutredaren Cornelius Fischer, som utförde denna forskning vid universitetet i Bremen i gruppen av prof. Andreas Lüttge. "Vi har en grop i mitten, och sedan runt dessa gropar finns ringar för massborttagning." Forskningen har publicerats i Proceedings of the National Academy of Sciences . Fischer och Lüttge är specialiserade på att studera interaktioner mellan mineraler och vätska, och har samarbetat i mer än 15 år i USA och Tyskland.

I vardagen, Att lösa upp kristaller är lika enkelt som att röra socker i ett glas vatten. Och som alla barn som har gjort stengodis vet, processen fungerar också omvänt:Kristaller av socker bildas när vatten avdunstar från glaset. Lüttge sa att forskare länge har vetat att kristaller bildas genom en kontinuerlig process när molekyler deponeras från lösningen i det vanliga kristallgittret i det fasta ämnet de bildar.

"Vi har alltid trott att upplösning var en kontinuerlig process, ungefär som kristallbildning omvänt, och vi blev förvånade när dessa experiment visade att detta inte var en kontinuerlig process, " sa Fischer. "Istället, vad vi såg var pulser som inträffade runt dessa gropar."

Pulserna syns tydligt i hastighetskartor, högupplösta stillbilder som fångar den hastighet med vilken material löses upp över tiden från ytan av en kristall. I experiment vid MARUM, Cornelius Fischer modifierade en avbildningsteknik som kallas "vertical scanning interferometry" som Lüttge var pionjär vid Rice University (Houston, USA) i början av 2000-talet för att göra "ytreaktionshastighetskartor."

"Kartorna visar fördelningen av materialflödet och illustrerar därmed ytreaktiviteten, sa Fischer, en före detta MARUM-postdoktor som nu är chef för en forskargrupp vid det oberoende tyska forskningslaboratoriet Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. "Under den rutinmässiga analysen av hastighetskartdata, vi upptäckte förekomsten av ett anmärkningsvärt mönster av ytreaktivitet. Detta var startpunkten för en systematisk analys av pulserande kartfunktioner."

Med hjälp av prover av först zinkoxid och senare kalciumkarbonat, Fischer gjorde kartor som visade varje dopp och stigning på kristallens yta till en upplösning på 1 nanometer, eller 1 miljarddels meter. Varje skanning samlade in mer än 4 miljoner mätningar från en yta som inte mätte mer än en kvadratcentimeter. Genom att ta efterföljande ögonblicksbilder av en kristalls yta när den löstes upp tillät dem att mäta hastigheten med vilken kristallen löstes upp som en funktion av ytans höjd.

Forskare har länge förstått vikten av att små ytdefekter spelar i kristallupplösning. Miniscula divots som kallas "etsgropar" exponerar kristallkanter och ökar sannolikheten för att ett lösningsmedel, som vatten, kommer kemiskt att reagera med atomer från kristallen. Processen liknar hur rost äter bort järn eller stål.

När de undersökte deras hastighetskartor för att lösa upp kalcit- och zinkoxidkristaller, Lüttge och Fischer fann "rytmiska fluktuationer av den reaktiva yttätheten, " eller upplösningspulser som sprider sig som ringar från etsgropar och skruvförskjutningar, ungefär som krusningar som sprider sig från den punkt där en sten tappas i en damm.

"Den komplexa överlagringen av pulser definierar det övergripande resultatet, och vi kan nu förstå—och, viktigast, att kvantifiera — sådana mönster som utgångspunkten för bildandet av porositet i fasta material under upplösning, " sa Fischer. Lüttge sa att upptäckten bidrar till forskarnas grundläggande förståelse av kristallupplösning och kan hjälpa forskare inom så olika områden som korrosionsskydd och läkemedelstillverkning.