Ученые впервые заглянули внутрь кристаллов: революционная технология открывает невидимое

Новая технология, позволяющая создавать 3D-модели отдельных кристаллов, открыла ученым возможность увидеть мелкие отклонения в их идеальных структурах.

Исследователи из Нью-Йоркского университета (NYU) решили выяснить, как можно заглянуть глубже внутрь твердых тел, состоящих из повторяющихся единиц, и понять их рост.

Рентгеновские лучи, благодаря своей короткой длине волны, примерно равной размеру многих повторяющихся единиц кристаллов, давно используются учеными для изучения их структуры путем измерения угла дифракции лучей.

Однако рентгеновская кристаллография имеет свои ограничения. В первой строке новой статьи, опубликованной в журнале Nature Materials, говорится: "Структуры молекулярных кристаллов определяются методами рассеяния, потому что мы не можем видеть их внутренности".

В статье описывается новая технология, которая может изменить это, хотя и не для кристаллов, состоящих из отдельных атомов.

Речь идет о кристаллах на основе коллоидных частиц, которые достаточно велики, чтобы их можно было увидеть под обычным микроскопом и манипулировать ими, что невозможно с атомами.

Изучение таких кристаллов помогло продвинуться в понимании динамики кристаллов. Эксперименты с коллоидными структурами проливают свет на формирование и развитие дислокаций внутри кристаллов.

Как и рентгеновская кристаллография, этот метод также имеет ограничения. Сложности в нахождении надежных способов изображения коллоидных кристаллов привели к тому, что их исследование до сих пор ограничивалось простыми структурами из одной частицы.

Многие атомарные кристаллы, напротив, состоят из нескольких элементов и формируют сложные трехмерные структуры.

Новая методика, разработанная командой из NYU, обещает позволить изучать коллоидные аналоги этих сложных решеток. Она основывается на предыдущих работах команды, где они разработали процесс под названием "кулоновская самосборка с ослаблением полимера" (PACS).

PACS использует электрические заряды коллоидных частиц для формирования кристаллических решеток, что позволяет создавать бинарные коллоидные кристаллы, состоящие из двух разных частиц, аналогично кристаллам поваренной соли из натрия и хлора.

Новое исследование демонстрирует, как флуоресцентный краситель, введенный в коллоидные частицы, помогает различать их виды даже после формирования кристаллов. Это позволяет ученым, наконец, "заглянуть внутрь" полностью сформированного кристалла и наблюдать за его внутренней структурой.

"Мы можем различать все частицы внутри бинарного ионного кристалла и реконструировать полную внутреннюю трехмерную структуру на глубине около 200 слоев", — сообщают исследователи из NYU.

Команда уже сделала несколько новых открытий. Процесс "двойникования", при котором решетки двух кристаллов выравниваются так, что части их компонентов располагаются в общей плоскости, давно интересует ученых.

Исследователи создали коллоидные кристаллы, воспроизводящие кубические структуры атомного масштаба различных минералов: натрия и хлора (поваренная соль), хлорида цезия, где восемь атомов хлора окружают один атом цезия, и аурикуприда, соединения меди и золота, где атомы меди размещены на гранях кубической решетки атомов золота.

Во всех случаях команде удалось наблюдать эволюцию двойниковых кристаллов и понять, как возникают такие структуры.

"Это прямое наблюдение раскрывает внутренние тонкости кристаллической структуры, объясняя взаимосвязь между взаимодействиями частиц и макроскопической формой кристалла, включая возникновение и влияние дефектов и двойников", — сообщают исследователи.

Команда ожидает, что это открытие поможет разгадать тайны кристаллов, более 100 лет спустя после того, как рентгеновские лучи впервые позволили изучить их структуру.