Люди скрізь оточені кристалами. Природні кристали, такі як лід і сніг, можуть формуватися спонтанно і симетрично. Але кристали на основі кремнію або нітриду галію, що знаходяться у світлодіодах та іншій електроніці, вимагають докладання певних зусиль, щоб досягти ідеальної форми і вирівнювання.
В UC Santa Barbara дослідники тепер відкрили ще одну частину теоретичної головоломки, яка регулює зростання кристалів - розвиток, який може заощадити час і енергію в багатьох процесах, що вимагають утворення кристалів.
«Те, як сьогодні розробляються більшість промислових кристалів, - це величезна кількість експериментів, щоб з'ясувати, як ростуть кристали і з якою швидкістю вони ростуть в різних умовах», - сказав інженер-хімік UCSB Майкл Доерті, автор статті, яка з'явилася Proceedings of the National Academy of Sciences. Наприклад, сніжинки формуються по-різному, коли вони падають, залежно від змінних умов, таких як температура і вологість, отже, широко поширена думка, що немає двох однакових сніжинок. Після визначення оптимальних умов для зростання обраного кристала, обладнання для зростання кристалів має бути спроектовано і відкалібровано, щоб забезпечити постійне зростання середовища.
Об'єднавши багаторічний досвід, Доерті разом з колегою UCSB Бароном Петерсом і колишнім аспірантом Марком Йосвіаком (тепер працює в Dow Chemical) розробили обчислювальний метод, який допоможе прогнозувати темпи зростання іонних кристалів за різних обставин. Використовуючи відносно простий кристал - хлорид натрію (NaCl, більш відомий як кухонна сіль) у воді, дослідники заклали основу для аналізу більш складних кристалів.
Іонні кристали можуть бути видні неозброєним оком - і навіть під деяким збільшенням - складатися з абсолютно гладких і рівних поверхонь. Але подивіться більш уважно, і ви виявите, що насправді вони містять поверхневі функції, які впливають на їх здатність рости, і на ті форми, які вони приймають.
«Є дислокації і навколо дислокацій є спіралі, а навколо спіралей є ребра, а по краях є перегини, - говорить Барон Петерс, - і кожен рівень вимагає теорії, щоб описати кількість цих функцій і швидкості». У найменшому масштабі іони в розчині не можуть легко приєднуватися до зростаючого кристала, тому що молекули води, які сольватують (взаємодіють) з іонами, складно видаляються, сказав він. З такою кількістю процесів, що відбуваються в багатьох масштабах, легко зрозуміти, наскільки складно передбачити зростання кристала.
«Найбільша проблема полягала в застосуванні різних методів до нової проблеми - розгляді прикріплення і від'єднання іонів на поверхневих ділянках перегинів, де відсутня симетрія в поєднанні з сильними іонно-водними взаємодіями», - сказав Йосвіак. «Однак, коли ми зіткнулися з проблемами і знайшли рішення, ми отримали додаткове уявлення про процеси, роль молекул води і відмінності між іонами натрію і хлориду».
Серед таких ідей: розмір іона. Дослідники виявили, що через його розмір більший іон хлору (Cl-) запобігає доступу води до ділянок перегину під час відриву, що обмежує загальну швидкість розчинення хлориду натрію у воді.
«Вам потрібно знайти спеціальну систему координат, яка може виявити ці спеціальні перестановки для розчинників, які створюють отвір для проскальзування іоном через клітку з розчинником і блокування на місці зламу», - сказав Петерс. «Ми продемонстрували, що, принаймні, для хлориду натрію, ми можемо, нарешті, дати конкретну відповідь».
Цей доказ концепції розвитку є результатом досвіду групи Майкла Доерті в галузі процесів кристалізації в поєднанні з досвідом інших дослідників у «рідкісних подіях» - відносно рідкісні і недовговічні, але досить значущі явища (такі як реакції), які докорінно змінюють стан системи. Використовуючи метод, званий вибіркою шляху переходу, дослідники змогли зрозуміти події, що ведуть до перехідного стану. Стратегія і механістичні ідеї роботи над хлоридом натрію є основою для прогнозування темпів зростання в синтезі матеріалів, фармацевтичних препаратах і упередженої біомінералізації.