Aluminiumhydroxid, avbildad här i orange, genomgår fluktuationer mellan strukturer innan den bildar en ordnad kristall. Kredit:Nathan Johnson | Pacific Northwest National Laboratory
Vad har moln, tv-apparater, läkemedel och till och med smutsen under våra fötter gemensamt? De har alla eller använder kristaller på något sätt. Kristaller är mer än bara snygga ädelstenar. Moln bildas när vattenånga kondenserar till iskristaller i atmosfären. LCD-skärmar med flytande kristaller används i en mängd olika elektronik, från tv-apparater till instrumentpaneler. Kristallisering är ett viktigt steg för upptäckt och rening av läkemedel. Kristaller utgör också stenar och andra mineraler. Deras avgörande roll i miljön är ett fokus för materialvetenskap och hälsovetenskaplig forskning.
Forskare har ännu inte helt förstått hur kristallisering sker, men vikten av ytor för att främja processen har länge varit erkänd. Forskning från Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), University of Washington (UW) och Durham University kastar nytt ljus över hur kristaller bildas på ytor. Deras resultat publicerades i Science Advances .
Tidigare studier om kristallisering ledde till att forskare bildade den klassiska kärnbildningsteorin - den dominerande förklaringen till varför kristaller börjar bildas eller bilda kärnor. När kristaller bildar kärnor börjar de som mycket små efemära kluster med bara några få atomer. Deras ringa storlek gör klustren extremt svåra att upptäcka. Forskare har bara lyckats samla in ett fåtal bilder av sådana processer.
"Ny teknik gör det möjligt att visualisera kristalliseringsprocessen som aldrig förr", säger PNNL Physical Sciences Division Chemist Ben Legg. Han samarbetade med PNNL Battelle Fellow och UW affiliate professor James De Yoreo för att göra just det. Med hjälp av professor Kislon Voitchovsky från Durham University i England använde de en teknik som kallas atomkraftsmikroskopi för att se kärnbildningen av ett aluminiumhydroxidmineral på en glimmeryta i vatten.
Glimmer är ett vanligt mineral som finns i allt från gipsskivor till kosmetika. Det ger ofta en yta för andra mineraler att kärna och växa. För den här studien var dock dess viktigaste egenskap dess extremt plana yta, vilket gjorde det möjligt för forskare att upptäcka klustren med få atomer när de bildades på glimmern.
Det Legg och De Yoreo observerade var ett kristallisationsmönster som inte förväntades från den klassiska teorin. Istället för en sällsynt händelse där ett kluster av atomer når en kritisk storlek och sedan växer över ytan, såg de tusentals fluktuerande kluster som smälte samman till ett oväntat mönster med luckor som kvarstod mellan kristallina "öar."
Efter noggrann analys av resultaten drog forskarna slutsatsen att även om vissa aspekter av den nuvarande teorin stämde, följde deras system till slut en icke-klassisk väg. De tillskriver detta till elektrostatiska krafter från laddningar på glimmerytan. Eftersom många typer av material bildar laddade ytor i vatten, antar forskarna att de observerade ett utbrett fenomen och är angelägna om att leta efter andra system där denna icke-klassiska process kan inträffa.
"Antaganden från klassisk kärnbildningsteori har långtgående implikationer i discipliner som sträcker sig från materialvetenskap till klimatförutsägelser", sa De Yoreo. "Resultaten från våra experiment kan hjälpa till att producera mer exakta simuleringar av sådana system." + Utforska vidare
