Гидроксид алюминия, показанный здесь оранжевым цветом, претерпевает колебания между структурами, прежде чем сформировать упорядоченный кристалл.
Кредит: Натан Джонсон | Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория

Что общего между облаками, телевизорами, лекарствами и даже грязью под нашими ногами? Все они так или иначе используют кристаллы. Кристаллы — это больше, чем просто причудливые драгоценные камни. Облака образуются, когда водяной пар конденсируется в кристаллы льда в атмосфере. Жидкокристаллические дисплеи используются в различной электронике, от телевизоров до приборных панелей. Кристаллизация является важным шагом для открытия и очистки лекарств. Кристаллы также составляют горные породы и другие минералы. Их решающая роль в окружающей среде находится в центре внимания исследований в области материаловедения и медицинских наук.

Ученым еще предстоит полностью понять, как происходит кристаллизация, но важность поверхностей в продвижении процесса давно признана. Исследования Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL), Вашингтонского университета (UW) и Университета Дарема проливают новый свет на то, как кристаллы образуются на поверхности. Их результаты были опубликованы в Science Advances.

Предыдущие исследования кристаллизации привели ученых к созданию классической теории зародышеобразования — основного объяснения того, почему кристаллы начинают формироваться или зарождаться. Когда кристаллы зарождаются, они начинаются как очень маленькие эфемерные кластеры всего из нескольких атомов. Их небольшой размер делает скопления чрезвычайно трудными для обнаружения. Ученым удалось собрать лишь несколько изображений таких процессов.

«Новые технологии позволяют визуализировать процесс кристаллизации, как никогда раньше», — сказал Бен Легг, химик отдела физических наук PNNL. Именно для этого он сотрудничал с стипендиатом PNNL Battelle Fellow и профессором UW Джеймсом Де Йорео. С помощью профессора Кислона Войтчовского из Даремского университета в Англии они использовали технику, называемую атомно-силовой микроскопией, для наблюдения за образованием кристаллов минерала гидроксида алюминия на поверхности слюды в воде.

Слюда — распространенный минерал, который можно найти во всем, от гипсокартона до косметики. Он часто обеспечивает поверхность для зарождения и роста других минералов. Однако для этого исследования его наиболее важной особенностью была его чрезвычайно плоская поверхность, которая позволила исследователям обнаружить кластеры из нескольких атомов по мере их образования на слюде.

То, что наблюдали Легг и Де Йорео, было моделью кристаллизации, которую не ожидали от классической теории. Вместо редкого случая, когда кластер атомов достигает критического размера, а затем растет по всей поверхности, они наблюдали тысячи флуктуирующих кластеров, которые сливались в неожиданный узор с промежутками, что сохранялись между кристаллическими «островками».

После тщательного анализа результатов исследователи пришли к выводу, что, хотя некоторые аспекты текущей теории верны, в конечном итоге их система пошла по неклассическому пути. Они приписывают это электростатическим силам от зарядов на поверхности слюды. Поскольку многие типы материалов образуют в воде заряженные поверхности, исследователи предполагают, что они наблюдали широко распространенное явление, и готовы искать другие системы, в которых может происходить этот неклассический процесс.

«Предположения классической теории нуклеации имеют далеко идущие последствия в различных дисциплинах, от материаловедения до предсказания климата», — сказал Де Йорео. «Результаты наших экспериментов могут помочь произвести более точное моделирование таких систем».