Поляризационная микроскопия показывает со временем ус, растущий из фронта кристаллизации о-терфенила. Видно, что сферический пузырек следует в объем жидкости. Предоставлено: Токийский столичный университет.

Нанопроволоки представляют собой ультратонкие нити из кристаллического материала, которые обещают новые интересные применения в электронике, катализе и производстве энергии. Они также могут спонтанно расти там, где они нежелательны, перекрывая изолирующие барьеры и замыкая электронные цепи. Выяснение того, как они растут, является важной технологической проблемой, но точный механизм остается неизвестным.

Группа, состоящая из профессора Рей Куриты, доцента Мари Тани и Такуми Яшима из Токийского столичного университета, изучала рост кристаллов о-терфенила и салола, типичных органических соединений, которые демонстрируют нитевидные кристаллы, быстрый рост тонких нитей из передней части кристаллический материал при охлаждении. При внимательном рассмотрении они обнаружили, что на кончике каждой нити есть крошечный пузырь. Им удалось показать, что этот пузырек был не просто примесью или просто примесью воздуха, а крошечной капсулой газа того же органического соединения. Вместо того чтобы молекулы в жидкости просто осаждались на растущий фронт, как при обычном росте кристаллов, он переходил в газ внутри пузыря, прежде чем прикрепиться к кончику нити, картина, сильно отличающаяся от стандартной картины замерзания в жидкости. Это привело к беспрецедентно быстрому росту, который также можно было воспроизвести внутри тонких стеклянных капилляров для более контролируемого роста нанопроводов.

Что касается самого образования пузырьков, команда обнаружила, что большая разница в плотности между кристаллом и жидкостью в этих соединениях сыграла свою роль. Повторив эксперименты с другими жидкостями, не имевшими такой большой разницы, они не обнаружили роста усов. Они пришли к выводу, что кристаллический фронт был склонен быть домом для больших неоднородностей плотности, что в конечном итоге приводило к кавитации, спонтанному образованию пузырьков газа, которые впоследствии порождали усы.

Обнаружив, что вызвало рост нити, команда приступила к тому, чтобы получить некоторый контроль над явлением, подавляя образование пузырей. Они добавили в материал небольшое количество примесей для подавления кавитации. Конечно же, по мере того, как пузырьки исчезали, исчезали и усы, что позволяло более медленному, но без усов росту больших кусков однородного кристаллического материала.

Благодаря беспрецедентной настраиваемости и пониманию физики процесса работа команды обещает новые подходы к выращиванию нановолокон для технологических приложений и различные стратегии защиты электроники и батарей от потенциально опасных коротких замыканий, вызванных нитевидными кристаллами. Исследование опубликовано в Scientific Reports.