Titta noga, och du kommer att se geniala mönster överallt i naturen. Forskare och ingenjörer har länge förstått detta, men att efterlikna Moder Natur när det gäller att bygga sådana mönster – särskilt välordnad kristallstruktur – har visat sig vara utmanande. Nyligen, Maria Sushko och Kevin Rosso vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) förbättrade förståelsen avsevärt genom att klargöra drivkrafterna bakom partikelbaserad kristalltillväxt med deras nya beräkningsmetod. De lärde sig att kristalltillväxt beror på den subtila balansen av interaktioner mellan atomer, joner, molekyler, och partiklar. Deras upptäckt har ett betydande löfte om att skapa material för att möta energiutmaningar.

I naturliga kristalltillväxtprocesser, nanopartikelbyggstenar fäster längs specifika kristallytor. Studerar dessa exempel, forskare inspirerades att fundera över hur de skulle kunna skapa liknande kristallstrukturer för en rad praktiska tillämpningar inklusive energilagring. Beväpnad med en större förståelse för de grundläggande processerna som ligger bakom vägarna för kristalltillväxt, forskare kunde kontrollera dessa processer för att syntetisera nya material med exakta detaljer. I sin forskning, Sushko och Rosso fann att koordinerad rörelse av joner nära nanopartikelytor driver hur nanopartiklar ordnas till matchande kristallformer och strukturer. De upptäckte att joner i lösning kan styra rotationen av nanopartiklar till en matchande kristallorientering - precis som efterliknar naturens mönster - för att producera perfekta kristaller.

PNNL-forskarnas upptäckt ger viktiga grundläggande insikter om geokemiska processer som leder till mineralbildning, och hjälper till att skapa komplexa, hierarkisk, enkristallstrukturer i labbet. Det lovar också att så småningom skapa innovativa material för hemelektronik, batterier, och mer. Enligt Sushko, deras nya beräkningsmetod skapar "ett nytt paradigm inom kunskapsbaserad syntes av högt ordnade tredimensionella kristallstrukturer" för en rad praktiska tillämpningar inom katalys- och energilagringsteknologier.

Rosso och Sushko utvecklade en ny flerskalig beräkningsmodell som omfattar de väsentliga krafter som verkar mellan atomer, molekyler, och partiklar. Deras tillvägagångssätt sträcker sig över längdskalorna från Ångström till en halv mikron och är helt överförbara till ett brett spektrum av system. Metoden är djupt rotad i kvantmekaniken och ger ett parameterfritt tillvägagångssätt för modellering av experimentellt relevanta system.

Deras nya beräkningsmetod är ett stort steg mot att utveckla en heltäckande teori om partikelbaserad kristallisering. Framtida forskning kommer att utöka modellen till att omfatta ett bredare spektrum av makroskopiska krafter, såsom magnetisk och elektrisk polarisation. Modellen kommer även att appliceras ytterligare på andra material för att få insikt i olika kristallisationsvägar.