Foto de un cristal dorado. Crédito:© Paul Straathof / Paul's Lab
La conversión de la mayoría de los materiales en una estructura cristalina organizada comienza con el proceso de nucleación. Un ejemplo cotidiano es la cristalización rápida de agua sobreenfriada después de la nucleación de un cristal semilla. Este fenómeno ha dejado perplejos tanto a los científicos como a la gente corriente. El proceso de nucleación, en el que los átomos se juntan y forman los cristales más pequeños, ha sido un fenómeno científico importante que ha sido ampliamente estudiado desde finales del siglo XIX.
La teoría clásica de la nucleación establece que el ensamblaje de monómeros en una estructura cristalina se produce de forma unidireccional. Por otra parte, algunos han sugerido que en algunos sistemas puede producirse un proceso de cristalización no clásico que implica estructuras cristalinas intermedias metaestables. Sin embargo, Ha sido extremadamente difícil confirmar estas teorías a través de la observación directa porque la nucleación ocurre muy rápidamente, y el tamaño de un núcleo puede ser tan pequeño como unos pocos átomos.
Este misterio centenario ha sido finalmente resuelto por un equipo de investigación conjunto internacional dirigido por LEE Won Chul, Profesor de Ingeniería Mecánica en el Campus Erica de la Universidad Hanyang. El equipo de investigación conjunto ha logrado observar el momento del estado inicial de nucleación de nanocristales.
Los científicos lograron filmar el proceso en el que los átomos de oro se juntan para formar nanocristales. Para observar el estado inicial del proceso de nucleación, El equipo sintetizó nanocristales de oro emitiendo un haz de electrones sobre nanocintas de cianuro de oro en la parte superior de una membrana de grafeno. que descompone las nanocintas en átomos de oro. La muestra sintetizada se observó con el microscopio electrónico de transmisión de alto rendimiento (TEM) en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. El proceso se registró con una resolución espacial de nivel atómico y una resolución temporal ultra alta en una escala de milisegundos.
La observación TEM mostró la abrupta desaparición y reaparición de las estructuras de la red cristalina antes de la aparición de una estructura cristalina estable. A través de un análisis cuidadoso, el equipo descartó algunos factores que pueden resultar en observaciones tales como la orientación, inclinación, y rotación rápida de nanocristales. Por lo tanto, los resultados observados parecen indicar que los átomos que forman el núcleo oscilan aleatoriamente entre los estados desordenado y cristalino. Esta fluctuación estructural pareció ocurrir espontáneamente de manera estocástica. El descubrimiento del equipo desafió directamente la teoría de nucleación de larga data, así como una teoría de nucleación más reciente que se ha propuesto en las últimas dos décadas.
Además, el equipo descubrió que la estabilidad del estado cristalino aumentaba a medida que aumentaba el tamaño de los nanocristales. Por ejemplo, los nanocristales con 2,0 nm 2 las áreas pasaron aproximadamente la mitad del tiempo existiendo en un estado cristalino. Cuando los tamaños de los cristales aumentaron por encima de 4.0 nm 2 en la zona, los cristales parecían existir la mayor parte del tiempo en forma cristalina.
A) Los esquemas del experimento. Las nanocintas de AuCN en la parte superior de una membrana de grafeno se irradiaron con haces de electrones. Esto descompone las cintas para generar átomos de oro, que posteriormente se nuclean en nanocristales. B) Fotogramas fijos del video TEM en varios puntos del proceso de nucleación. C) Representación del modelo de bloques de Lego de la transición de la estructura de nanocristales de oro entre estados desordenado y cristalino. Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
A) La nueva teoría termodinámica detrás del proceso de nucleación que propuso el equipo. La barrera de energía entre el estado desordenado y cristalino es relativamente baja cuando la estructura tiene relativamente menos átomos. La barrera de energía aumenta y el estado cristalino se vuelve más estable a medida que aumenta el tamaño del cristal. B) La fracción de tiempo en que los átomos existen en estado cristalino versus el área de los nanocristales. C) La energía necesaria para alcanzar un punto de fusión deprimido frente al número de átomos de oro dentro del cristal. D) La fusión entre nanocristales más pequeños y más grandes convierte temporalmente toda la estructura a un estado desordenado. Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
Para describir este fenómeno, el equipo propuso una nueva teoría termodinámica de la nucleación de cristales. El estudio propuso que la barrera de energía entre la transformación cristalina y la desordenada tiende a ser muy baja en la etapa más temprana de nucleación cuando el tamaño del grupo es pequeño y que aumenta a medida que se agregan más átomos a la estructura. Esto puede explicar la fluctuación espontánea entre estados cristalinos y desordenados en cristales nacientes que constan de unos pocos átomos. El equipo también señaló en nanocristales relativamente más pequeños, incluso la adición de átomos adicionales puede transferir suficiente energía al sistema para transformar toda la estructura a un estado desordenado. La barrera de energía aumenta a medida que crece el cristal, lo que reduce la probabilidad de reversión espontánea y estabiliza las estructuras cristalinas en cristales más grandes.
Con respecto a estos hallazgos, El profesor Jungwon Park dijo:"Desde un punto de vista científico, descubrimos un nuevo principio del proceso de nucleación de cristales, y lo probamos experimentalmente ".
El profesor Won Chul Lee dijo:"Desde el punto de vista de la ingeniería, reproduciendo el estado inicial del proceso de deposición, se puede utilizar para lograr tecnología original en materiales semiconductores, componentes, Y equipamiento."
Esta investigación fue publicada en la revista Ciencias el 29 de enero 2021.
