Cuando crecemos cristales Los átomos primero se agrupan en pequeños grupos, un proceso llamado nucleación. Pero la comprensión exacta de cómo surge tal ordenamiento atómico del caos de átomos que se mueven aleatoriamente ha eludido a los científicos durante mucho tiempo.

La teoría clásica de la 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 un temporal, primero se forma la estructura de alta energía, que luego se convierte en un cristal 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, reportado recientemente en la revista Ciencias , revelan que en lugar de agruparse uno por uno o hacer una sola transición irreversible, los átomos de oro, en cambio, se autoorganizarán, desmoronarse, reagruparse, y luego reorganizar muchas veces antes de establecer un establo, cristal ordenado. Usando un microscopio electrónico avanzado, los investigadores presenciaron este rápido, proceso de nucleación reversible 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 Foundry de Berkeley Lab.

De acuerdo con la comprensión convencional de los científicos, una vez que los cristales en el estudio alcanzaron un cierto tamaño, ya no volvieron a los desordenados, estado inestable. Won Chul Lee, uno de los profesores que orientan el proyecto, lo describe de esta manera:si imaginamos 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 establece la base, 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 EQUIPO I, uno de los microscopios electrónicos más potentes del mundo. Un equipo de expertos internos guió los experimentos en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica en la Fundición Molecular de Berkeley Lab. Usando el microscopio TEAM I, investigadores capturados en tiempo real, imágenes de resolución atómica a velocidades de hasta 625 fotogramas por segundo, que es excepcionalmente rápido para la microcopia electrónica y aproximadamente 100 veces más rápido que los estudios anteriores. Los investigadores observaron átomos de oro individuales a medida que se formaban en cristales, se rompió en átomos individuales, y luego reformado una y otra vez en diferentes configuraciones de cristal antes de estabilizarse finalmente.

"Las observaciones más lentas perderían esto muy rápido, proceso reversible y solo ver un desenfoque en lugar de las transiciones, lo que explica por qué este comportamiento de nucleación nunca se había 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 este modo, el proceso inicial de formación de cristales actúa en contra de sí mismo, fluctuando entre el orden y el desorden muchas veces antes de construir un núcleo que sea lo suficientemente estable 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 escondidas en el caos atómico. El equipo también espera detectar transiciones similares en diferentes sistemas atómicos para determinar si este descubrimiento refleja un proceso general de nucleación.

Uno de los autores principales del estudio, Parque Jungwon, resumió el trabajo:"Desde un punto de vista científico, descubrimos un nuevo principio del proceso de nucleación de cristales, y lo probamos experimentalmente ".