Muchas conchas marinas minerales, y los nanomateriales semiconductores están formados por cristales más pequeños, que se ensamblan como las piezas de un rompecabezas. Ahora, Los investigadores han medido las fuerzas que hacen que los cristales se ensamblen, revelando una orquesta de factores en competencia que los investigadores podrían controlar.

El trabajo tiene una variedad de implicaciones tanto en el descubrimiento como en la ciencia aplicada. Además de proporcionar información sobre la formación de minerales y nanomateriales semiconductores, también podría ayudar a los científicos a comprender el suelo a medida que se expande y contrae a través de los ciclos de humedecimiento y secado. En el ámbito aplicado, los investigadores podrían utilizar los principios para desarrollar nuevos materiales con propiedades únicas para las necesidades energéticas.

Los resultados, publicado en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias en julio, describe cómo la disposición de los átomos en los cristales crea fuerzas que los unen y los alinean para el acoplamiento. El estudio revela cómo la atracción se vuelve más fuerte o más débil a medida que se calienta el agua o se agrega sal. ambos son procesos comunes en el mundo natural.

El equipo multinacional, dirigido por los químicos Dongsheng Li y Jaehun Chun del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía, exploró las fuerzas de atracción entre dos partículas de cristal hechas de mica. Un mineral escamoso que se usa comúnmente en aislamiento eléctrico, este mineral a base de silicio está bien estudiado y es fácil de trabajar porque se desprende en piezas planas con superficies de cristal casi perfectas.

Fuerzas y rostros

La cristalización a menudo ocurre a través del ensamblaje de bloques de construcción multifacéticos:algunas caras de estos cristales más pequeños se alinean mejor con otras, como hacen los bloques de Lego. Li y Chun han estado estudiando un proceso de cristalización específico llamado apego orientado. Entre otras características distintivas, El apego orientado ocurre cuando subunidades más pequeñas de cristales incipientes alinean sus mejores caras coincidentes antes de hacer clic entre sí.

El proceso crea varias formas no lineales:nanocables con ramas, celosías que parecen panales complicados, y tetrápodos:estructuras diminutas que parecen gatos de juguete de cuatro brazos. Las fuerzas moleculares que contribuyen a este autoensamblaje no se comprenden bien.

Las fuerzas moleculares que entran en juego pueden atraer o repeler los diminutos bloques de construcción de cristal entre sí. Estos incluyen una variedad de fuerzas de libros de texto como van der Waals, enlaces de hidrógeno, y electrostático, entre otros.

Para explorar las fuerzas Li, Chun y sus colegas fresaron caras planas en pequeñas losas de mica y las colocaron en un dispositivo que mide la atracción entre dos piezas. Luego midieron la atracción mientras giraban las caras entre sí. El experimento permitió bañar la mica en un líquido que incluye diferentes sales, permitiéndoles probar escenarios del mundo real.

La diferencia en este trabajo fue la configuración líquida. Otros investigadores han realizado experimentos similares en seco al vacío; en este trabajo, el líquido creó condiciones que simulan mejor cómo se forman los cristales reales en la naturaleza y en los grandes métodos industriales. El equipo realizó algunos de estos experimentos en EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en PNNL.

Twist y sal

Una de las primeras cosas que encontró el equipo fue que la atracción entre dos piezas de mica subía y bajaba a medida que las caras se retorcían entre sí. como cuando intentas hacer un sándwich con dos imanes planos de refrigerador (continúa, intentalo). De hecho, la atracción subía y bajaba cada 60 grados, correspondiente a la arquitectura interna del mineral, que es casi hexagonal como una celda de panal.

Aunque otros investigadores hace más de una década habían predicho que sucedería esta atracción cíclica, esta es la primera vez que los científicos han medido las fuerzas. Conocer la fuerza de las fuerzas es clave para manipular la cristalización en un entorno industrial o de investigación.

Pero también hubo otras cosas en el enfrentamiento de mica. Entre las dos superficies, el ambiente líquido contenía iones cargados eléctricamente de sales, elementos normales que se encuentran durante la cristalización en la naturaleza. El agua y los iones formaron una capa algo estable entre las superficies que las mantuvo en parte separadas. Y mientras se acercaban el uno al otro, las dos superficies de mica se detuvieron allí, equilibrado entre atracción molecular y repulsión por agua e iones.

El equipo también descubrió que podían manipular la fuerza de esa atracción cambiando el tipo de iones, su concentración, y la temperatura. Los diferentes tipos de iones y sus concentraciones cambiaron la repulsión electrostática entre las superficies de mica. El tamaño de los iones y la cantidad de cargas que llevaban también crearon más o menos espacio dentro de la capa entrometida.

Finalmente, temperaturas más altas aumentaron la fuerza de la atracción, contrario a cómo se comporta la temperatura en forma más simple, escenarios menos complejos. Los investigadores construyeron un modelo de las fuerzas en competencia que incluían a van der Waals, electrostático, y fuerzas de hidratación.

En el futuro, los investigadores dicen, los principios extraídos de este estudio se pueden aplicar a otros materiales, que se calcularía para el material de interés. Por ejemplo, manipular la atracción podría permitir a los investigadores construir cristales personalizados de tamaños y formas deseados y con propiedades únicas. En general, El trabajo proporciona información sobre el crecimiento de cristales a través del ensamblaje de nanopartículas en materiales sintéticos, biológico, y entornos geoquímicos.