Как растат кристалите
Нова светлина бе хвърлена върху начина, по който молекулите напускат разтвор, за да станат част от растящ кристал. Тъй като свойствата на кристалите зависят от техния размер и форма, а те се влияят от скоростта на растежа им, изследването открива възможност за модифициране на образуването на кристали с цел подобряване на приложенията им.
Кристалите са много повече от красивите камъни, което е първата асоциация на повечето хора с тази дума. Те могат да се образуват от основни протеини в телата ни, да захранват живота ни под формата на слънчеви клетки и да осигуряват полупроводниците, които позволяват сега да четете тази статия. И все пак ключови аспекти от процеса на образуване им остават загадка. Сега обаче ново изследване разкрива как молекулите се прикрепят към местата на кристалната повърхност, за да може кристалът да расте.
В материалознанието кинковете са разклонения, причинени от дислокационен дефект. Те позволяват на кристалите да се деформират под въздействието на сили на срязване. Нещо повече, учените от Университета в Хюстън отбелязват в новата си статия: „Скоростта на растеж на кристалите до голяма степен се диктува от химическата реакция между разтвора и кинковете.“ С други думи, когато молекулите в разтвора се прикрепят към кристалите, така че те да растат, те го правят, като се свързват с кинка.
Както при много други неща в науката, достигането до подробности е трудно, но екипът от Хюстън е изследвал реакциите на четири разтворителя в при клинковете изключително подробно.
„Ние показваме, че процеса на свързване на молекула разтворител с клинка се разделя на две елементарни реакции“, съобщават те. „Първо, входящата молекула на разтвореното вещество се освобождава от част от обвивката си на разтворител и се свързва с молекулите на разклонението чрез връзки, различни от тези в пълното ѝ състояние. На втория етап разтвореното вещество разкъсва тези първоначални връзки и се премества в разклонението.“
На първия етап се образува предварителна връзка между молекулата на веществото и разклонението, но тя трябва да бъде прекъсната, преди да се постигне окончателно ѝ включване – нещо, което според авторите е нелогично.
„В продължение на десетилетия изследователите на кристалния растеж мечтаеха да изяснят химическата реакция между входящите молекули и уникалните места на кристалната повърхност, които ги приемат – кинковете“, казва старшият автор професор Петър Векилов в изявление. „Механизмът на тази реакция, т.е. времето и дължината, възможните междинни продукти и тяхната стабилност, остава неизучен и е обект на спекулации в продължение на повече от 60 години.“
Авторите установяват, че молекулите се вграждат в кристала много по-бавно, отколкото разтворителят ги доставя. Това, пишат те, „обявява наличието на активационна бариера“. Същото не се наблюдава, когато кристалите растат от газ, което показва, че бариерата е продукт на разтвора. Връзките между разтвореното вещество и разтворителя трябва да се разрушат, за да може кристалът да расте.
Това означава, заключават авторите, че междинното състояние преди молекулите да се преместят в кинка определя скоростта на растеж на кристала.
„Представата за междинното състояние и неговата решаваща роля в кристалния растеж опровергава и заменя доминиращото досега предположение за процеса“, казва Векилов.
По ирония на съдбата това предположение – че бариерата на активиране се определя от взаимодействията в разтвора преди срещите с кристала – е предложена от съветника на Векилов по време на докторантурата му А. А. Чернов преди десетилетия. Може би като предложение за мир към Чернов (който преди това е бил президент на Международната организация за растеж на кристали), авторите признават, че някои кристали могат да растат в едностъпков процес, но предполагат, че това „вероятно е ограничено до разтвори с висока симетрия, които са сравними по размер с разтворителя“.
За да разгадаят процеса на растеж, авторите използват не само рентгенова дифракция – наш основен инструмент за разбиране на кристалните структури в продължение на един век – и абсорбционна спектроскопия, но и по-съвременни техники, включително времево разрешена in situ атомно-силова микроскопия. Последната вече е в състояние да разрешава обекти в почти молекулен мащаб.
