Cuando cultivamos cristales, los átomos primero se agrupan en pequeños grupos, un proceso llamado nucleación. Pero la comprensión exacta de cómo surge ese orden atómico del caos de átomos que se mueven aleatoriamente ha eludido a los científicos durante mucho tiempo.
La teoría clásica de nucleación sugiere que los cristales forman un átomo a la vez, aumentando constantemente el nivel de orden. Los estudios modernos también han observado un proceso de nucleación de dos pasos, donde se forma primero una estructura temporal de alta energía, que luego se transforma en unacristal estable. Pero según un equipo de investigación internacional codirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab, la historia real es aún más complicada.
Sus hallazgos, publicados recientemente en la revista ciencia , revele que en lugar de agruparse uno por uno o hacer una sola transición irreversible, los átomos de oro se autoorganizarán, desintegrarán, reagruparán y luego reorganizarán muchas veces antes de establecer un cristal ordenado y estable.microscopio electrónico, los investigadores presenciaron este rápido y reversible proceso de nucleación por primera vez. Su trabajo proporciona información tangible sobre las primeras etapas de muchos procesos de crecimiento, como la deposición de películas delgadas y la formación de nanopartículas.
"A medida que los científicos buscan controlar la materia a escalas de menor longitud para producir nuevos materiales y dispositivos, este estudio nos ayuda a comprender exactamente cómo se forman algunos cristales", dijo Peter Ercius, uno de los autores principales del estudio y científico del personal de Molecular de Berkeley Lab.Fundición.
De acuerdo con la comprensión convencional de los científicos, una vez que los cristales en el estudio alcanzaron un cierto tamaño, ya no volvieron al estado desordenado e inestable. Won Chul Lee, uno de los profesores que guió el proyecto, lo describe de esta manera: siimaginamos cada átomo como un ladrillo de Lego, luego, en lugar de construir una casa un ladrillo a la vez, resulta que los ladrillos encajan repetidamente y se rompen de nuevo hasta que finalmente son lo suficientemente fuertes como para permanecer juntos. Una vez que se establecen los cimientos,sin embargo, se pueden agregar más ladrillos sin alterar la estructura general.
Las estructuras inestables solo eran visibles debido a la velocidad de los detectores recientemente desarrollados en el TEAM I, uno de los microscopios electrónicos más poderosos del mundo. Un equipo de expertos internos guió los experimentos en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica en Berkeley Lab's.Fundición molecular. Con el microscopio TEAM I, los investigadores capturaron imágenes en tiempo real con resolución atómica a velocidades de hasta 625 fotogramas por segundo, lo que es excepcionalmente rápido para la microcopia electrónica y unas 100 veces más rápido que en estudios anteriores. Los investigadores observaron átomos de oro individualesa medida que se formaron en cristales, se rompieron en átomos individuales y luego se reformaron una y otra vez en diferentes configuraciones de cristal antes de estabilizarse finalmente.
"Las observaciones más lentas perderían este proceso reversible muy rápido y solo verían un borrón en lugar de las transiciones, lo que explica por qué este comportamiento de nucleación nunca se ha visto antes", dijo Ercius.
La razón detrás de este fenómeno reversible es que la formación de cristales es un proceso exotérmico, es decir, libera energía. De hecho, la misma energía liberada cuando los átomos se adhieren a los núcleos diminutos puede elevar la "temperatura" local y derretir el cristal.. De esta manera, el proceso inicial de formación de cristales trabaja contra sí mismo, fluctuando entre el orden y el desorden muchas veces antes de construir un núcleo que sea lo suficientemente estable como para resistir el calor. El equipo de investigación validó esta interpretación de sus observaciones experimentales realizando cálculos de reacciones de unión.entre un hipotético átomo de oro y un nanocristal.
Ahora, los científicos están desarrollando detectores aún más rápidos que podrían usarse para obtener imágenes del proceso a velocidades más altas. Esto podría ayudarlos a comprender si hay más características de nucleación ocultas en el caos atómico. El equipo también espera detectar transiciones similares endiferentes sistemas atómicos para determinar si este descubrimiento refleja un proceso general de nucleación.
Uno de los autores principales del estudio, Jungwon Park, resumió el trabajo: "Desde un punto de vista científico, descubrimos un nuevo principio del proceso de nucleación de cristales y lo probamos experimentalmente".
La colaboración de investigación fue dirigida por Berkeley Lab en colaboración con la Universidad Hanyang de Corea del Sur, la Universidad Nacional de Seúl y el Instituto de Ciencias Básicas.
The Molecular Foundry es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
Este trabajo fue apoyado principalmente por la Fundación Nacional de Investigación de Corea. El trabajo en la Fundición Molecular fue financiado por la Oficina de Ciencias de la Oficina de Ciencias de la Energía del Departamento de Energía de EE. UU., Samsung Science and Technology Foundation y la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU..
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Original escrito por Clarissa Bhargava. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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