Дифракционная картина получена в результате 34 000 одноимпульсных рентгеновских экспозиций струи криптона вскоре после начала зарождения кристаллов. Кольца указывают на рассеяние рентгеновских лучей от определенных молекулярных плоскостей внутри маленьких кристаллов.
Кредит: Европейский XFEL

Используя интенсивные рентгеновские вспышки рентгеновского лазера на свободных электронах европейского XFEL, международная группа исследователей из европейского XFEL в Шенефельде недалеко от Гамбурга теперь преуспела в точном измерении нуклеации переохлажденных жидкостей. Эксперименты проводились в вакууме, чтобы рентгеновские лучи не взаимодействовали с молекулами воздуха, которые мешали бы экспериментам.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Однако из-за своей сложности вода является одной из самых трудных для моделирования жидкостей. По этой причине в своих экспериментах исследователи вместо этого использовали аргон и криптон в жидкой форме. Фактически, переохлажденные жидкости благородных газов — единственные системы, для которых в настоящее время можно сделать надежные теоретические предсказания.

Исследователи подробно изучали так называемую скорость зарождения кристаллов J(T). Это мера вероятности того, что кристалл сформируется в определенном объеме в течение определенного времени. Скорость, с которой это происходит, является важным параметром, например, для того, чтобы иметь возможность математически описывать реальные процессы в моделях — например, в прогнозировании погоды или в моделях климата.

Поскольку измерить реальное образование кристаллов очень сложно, часто используется моделирование. Однако они связаны с серьезными неопределенностями. Например, скорости нуклеации, смоделированные для воды, могут на несколько порядков отличаться от измеренных экспериментально, что делает моделирование неточным.

Рентгеновский лазер европейского XFEL идеально подходит: с помощью интенсивных рентгеновских вспышек исследователи могут изучать очень быстрые изменения в развитии кристаллизации.

Для своих экспериментов команда выбрала инструмент MID (MID = Materials Imaging and Dynamics). Они бомбардировали жидкие струи рентгеновскими импульсами с энергией 9,7 килоэлектронвольт (кэВ). Каждый рентгеновский импульс длился менее 25 фемтосекунд — одна фемтосекунда соответствует одной квадриллионной доли секунды. Для иллюстрации: за это время свет проходит менее миллиметра.

Экспериментаторы направили интенсивный рентгеновский свет на струю жидкости толщиной всего 3,5 микрометра, сфокусировав ее на поверхности диаметром менее одного микрометра. В общей сложности команда записала несколько миллионов дифракционных изображений, чтобы иметь достаточную статистику и с достаточной точностью определить скорость образования кристаллов.

Согласно их результатам, скорости зарождения кристаллов намного меньше, чем предсказанные на основе моделирования и классической теории.

«Исследование обещает значительно расширить наше понимание кристаллизации», — говорит Йоханнес Мёллер из прибора MID европейского XFEL. «Результаты показывают, что широко используемая классическая теория образования кристаллов из жидкой фазы существенно отклоняется от реальности».

«Мы ожидаем, что наш подход позволит впервые протестировать различные расширения классической теории для предсказания кристаллизации», — добавляет Роберт Гризенти из GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, старший автор исследования. «Наши результаты помогут теоретикам усовершенствовать свои модели в будущем».