Рост кристаллов под пристальным наблюдением
Ученые предложили метод наблюдения за формированием нанокристаллов, позволяющий получить картинку процесса с разрешением менее нанометра в режиме реального времени. Первые же исследования привели к неожиданным и многообещающим результатам.
Кристалл - это одна из форм существования твердых тел, в которой отдельные атомы расположены упорядочено в узлах некой трехмерной решетки. Удивительные свойства кристаллов обусловлены именно кристаллической решеткой, подчиняющейся законам симметрии относительно различных преобразований (трансляций, поворотов, отражений). Кристаллическая структура - своя для каждого вещества; при этом для одного и того же вещества может существовать несколько кристаллических модификаций (наиболее яркий пример этому – углерод).
Кристаллы имеют широчайшее практическое применение. Для удовлетворения спроса на кристаллы, человечество научилось синтезировать образцы с определенными свойствами и параметрами. «Выращиванием» кристаллов занимаются целые лаборатории. Рост кристаллов исследуется уже больше 100 лет, однако, многие аспекты этого процесса до сих пор остаются загадкой. Одной из существенных проблем, мешающих исследованиям в этой области, является высокая скорость роста кристаллов из так называемых «зародышей» и отсутствие методики «разглядеть» этот процесс в растворе в режиме реального времени с нужной разрешающей способностью.
Очевидно, что оптическая микроскопия не может использоваться для наблюдения отдельных атомов. Поэтому для наблюдения за процессом формирования кристаллов группа исследователей из Lawrence Berkeley National Laboratory использовала так называемую методику просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ, Transmission electron microscopy или TEM). Суть методики заключается в том, что достаточно тонкий объект «просвечивается» пучком электронов, который потом увеличивается при помощи магнитных линз и наблюдается на флуоресцентном экране или, как в современных устройствах, фиксируется на ПЗС матрице. Сама идея просвечивающей электронной микроскопии появилась около 100 лет назад, а первый работающий прибор был продемонстрирован в первой половине 20-го века. Однако, лишь техника сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) по сути, открыла для ПЭМ новые горизонты. С новыми линзами и электронной пушкой просвечивающая электронная микроскопия позволяет разглядеть отдельные тяжелые атомы.
В своем эксперименте ученые из Lawrence Berkeley National Laboratory наблюдали рост кристаллов платины в чрезвычайно тонкой жидкой прослойке между двумя кремниевыми пластинами (толщиной порядка 100 микрон). Экспериментальный образец подбирался таким образом, чтобы он был прозрачен для луча электронов ПЭМ. Методика позволяет следить за отдельными частицами, перемещающимися и соединяющимися в растворе в процессе формирования кристалла, и даже управлять скоростью роста (за счет внешний условий и взаимодействий электронов с веществом). Весь процесс может быть в реальном времени снят на видео.
Проведенные при помощи новой методики исследования показали, что кристаллы могут начинать свой рост двумя путями: частица за частицей, как и описывают большинство теоретических моделей, или беспорядочно, образуя много мелких кристаллов-«зародышей», которые объединяются друг с другом в процессе роста. Для такого хода процесса не существует общей теоретической модели, однако, его понимание в будущем, возможно, позволит ускорить рост кристаллов.
Предложенная техника наблюдения позволяет различить различные «режимы» роста. Это может быть дорогой к селективному «выращиванию» кристаллов с определенными физическими свойствами или более сложными формами.
В ближайшем будущем ученые надеются повысить разрешающую способность их установки, а также получить больший контроль над внешней средой, воздействующей на «развивающийся» кристалл.
