Kristallisation är sammansättning av atomer eller molekyler till högordnade fasta kristaller, som förekommer i naturliga, biologisk, och konstgjorda system. Dock, kristallisering i trånga utrymmen, såsom bildandet av ett proteins skal av ett virus, är dåligt förstådd. Forskare försöker kontrollera strukturen hos den slutliga kristallen som bildas i ett begränsat utrymme för att få kristaller med önskade egenskaper, som kräver grundlig kunskap om kristalliseringsprocessen.

En forskargrupp vid Institute of Industrial Science, University of Tokyo och Fudan University, ledd av Hajime Tanaka och Peng Tan, använde en droppe av en kolloid - en dispersion av flytande partiklar i en annan vätska, som mjölk - som modell för enstaka atomer eller molekyler i en sfär. Till skillnad från enstaka atomer eller molekyler, som är för små för att lätt kunna observeras, kolloidpartiklarna var tillräckligt stora för att visualisera med hjälp av ett mikroskop. Detta gjorde det möjligt för forskarna att spåra ordningen av enstaka partiklar i realtid under kristallisation.

"Vi visualiserade organisationsprocessen för kolloidpartiklar i många droppar under olika förhållanden för att ge en bild av kristalliseringsprocessen i en sfär, säger Tan.

Baserat på deras observationer, laget föreslog att kristalliseringsprocessen involverade tre steg:initial ordning på droppens "hud", kärnbildning och tillväxt i droppens kärna, och sedan långsam mognad av hela strukturen. Först, en hud som består av ett enda lager av ordnade kolloidpartiklar som snabbt bildas på droppytan. Nästa, kristallisation inträffade i droppens kärna, långt från den kristalliserade huden. Konkurrensen mellan kristallisation i dessa två regioner styrde strukturen hos den slutliga kristallen.

Forskarna fann att de "mjuka" (långväga) interaktionerna mellan de negativt laddade kolloidpartiklarna påverkade deras organisation och den resulterande kristallstrukturen. Dessa mjuka interaktioner domineras av kinetik, det är, de interaktioner som bildas snabbast, snarare än de som använder minst energi för att ge den termodynamiskt stabila strukturen, illustrerar att kinetik spelar en viktig roll vid kristallisation i ett begränsat utrymme. Det var redan känt att termodynamik bidrar starkt till kristallernas slutliga struktur. Teamets resultat bekräftade att kinetik också är integrerad, ytterligare vår kunskap om kristallisering i trånga utrymmen.

"Denna forskning fördjupar vår förståelse av kristalliseringsprocessen i geometriskt begränsade system, ledande forskare ett steg närmare att uppnå kontrollerad tillväxt av kristaller i mycket liten skala, "förklarar Tanaka.

Detaljerad kunskap om kristallbildningsprocessen i trånga system kan möjliggöra kristaller med konstruerade strukturer, såsom nanopartiklar för specifika elektronikapplikationer, Att erhållas, ger forskare större förmåga att kontrollera strukturen och därmed egenskaperna hos värdefulla material.

Artikeln "Morfologi urvalskinetik för kristallisation i en sfär" publiceras i Naturfysik .