När vi odlar kristaller, atomer grupperar sig först till små kluster - en process som kallas kärnbildning. Men att förstå exakt hur sådan atomordning uppstår ur kaoset av slumpmässigt rörliga atomer har länge undgått forskarna.

Klassisk kärnbildningsteori antyder att kristaller bildar en atom i taget, stadigt öka ordningsnivån. Moderna studier har också observerat en tvåstegs kärnbildningsprocess, där en tillfällig, högenergistruktur bildas först, som sedan övergår till en stabil kristall. Men enligt ett internationellt forskarlag som leds av Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), den verkliga historien är ännu mer komplicerad.

Deras fynd, nyligen rapporterat i tidskriften Vetenskap , avslöja att snarare än att gruppera sig en efter en eller göra en enda oåterkallelig övergång, guldatomer kommer istället att självorganisera sig, falla isär, omgruppera, och sedan omorganisera många gånger innan du etablerar ett stall, beställd kristall. Med hjälp av ett avancerat elektronmikroskop, forskarna bevittnade denna snabba, reversibel kärnbildningsprocess för första gången. Deras arbete ger konkreta insikter i de tidiga stadierna av många tillväxtprocesser som tunnfilmsavsättning och bildning av nanopartiklar.

"När forskare försöker kontrollera materia i mindre längdskalor för att producera nya material och anordningar, denna studie hjälper oss att förstå exakt hur vissa kristaller bildas, sade Peter Ercius, en av studiens huvudförfattare och en stabsforskare vid Berkeley Labs Molecular Foundry.

I linje med forskarnas konventionella uppfattning, när kristallerna i studien nådde en viss storlek, de återvände inte längre till de oordnade, instabilt tillstånd. Vann Chul Lee, en av professorerna som leder projektet, beskriver det så här:om vi föreställer oss varje atom som en legokloss, då istället för att bygga ett hus en tegelsten i taget, det visar sig att tegelstenarna gång på gång passar ihop och går isär igen tills de till slut är starka nog att hålla ihop. När grunden är satt, dock, fler tegelstenar kan läggas till utan att störa den övergripande strukturen.

De instabila strukturerna var bara synliga på grund av hastigheten hos nyutvecklade detektorer på TEAM I, ett av världens mest kraftfulla elektronmikroskop. Ett team av interna experter guidade experimenten vid National Center for Electron Microscopy i Berkeley Labs Molecular Foundry. Med hjälp av TEAM I-mikroskopet, forskare fångade i realtid, bilder med atomupplösning med hastigheter upp till 625 bilder per sekund, vilket är exceptionellt snabbt för elektronmikrokopiering och cirka 100 gånger snabbare än tidigare studier. Forskarna observerade individuella guldatomer när de bildades till kristaller, bröts isär i enskilda atomer, och sedan om och om igen till olika kristallkonfigurationer innan de slutligen stabiliserades.

"Långsammare observationer skulle missa detta mycket snabbt, reversibel process och bara se en oskärpa istället för övergångarna, vilket förklarar varför detta kärnbildningsbeteende aldrig har setts förut, sa Ercius.

Anledningen bakom detta reversibla fenomen är att kristallbildning är en exoterm process – det vill säga, det frigör energi. Faktiskt, själva energin som frigörs när atomer fäster vid de små kärnorna kan höja den lokala "temperaturen" och smälta kristallen. På det här sättet, den initiala kristallbildningsprocessen motverkar sig själv, fluktuerar mellan ordning och reda många gånger innan man bygger en kärna som är tillräckligt stabil för att stå emot värmen. Forskargruppen validerade denna tolkning av sina experimentella observationer genom att utföra beräkningar av bindningsreaktioner mellan en hypotetisk guldatom och en nanokristall.

Nu, forskare utvecklar ännu snabbare detektorer som kan användas för att avbilda processen i högre hastigheter. Detta kan hjälpa dem att förstå om det finns fler drag av kärnbildning dolda i atomkaoset. Teamet hoppas också kunna upptäcka liknande övergångar i olika atomsystem för att avgöra om denna upptäckt återspeglar en allmän kärnbildningsprocess.

En av studiens huvudförfattare, Jungwon Park, sammanfattade arbetet:"Från en vetenskaplig synvinkel, vi upptäckte en ny princip för kristallkärnbildningsprocessen, och vi bevisade det experimentellt."