Фізики побачили «заборонену» самозбірку колоїдного кристала

Фізики з Франції та Німеччини виявили освіту колоїдних кристалів у «заборонених умовах». Вчені виявили, що навіть при наявності в розчині частинок з широким діапазоном розмірів все одно можливе зростання впорядкованих кристалів. Дослідження опубліковано в журналі, коротко про нього повідомляє

На відміну від традиційних кристалів (наприклад, води або кварцу), що складаються з окремих молекул, в ролі складових колоїдних кристалів виступають великі частинки, розміри яких можуть доходити до сотень нанометрів. Такі об'єкти виникають при повільному облозі колоїдних частинок з розчинів. Як правило, якщо розміри твердих частинок, зважених у розчині трохи відрізняються - наприклад, якщо діаметр частинок коливається від 9,9 до 10,1 нанометрів, - то зростання таких кристалів сильно ускладнене або неможливе.

Існує ряд теоретичних припущень, що в досить розбавлених розчинах частинки можуть встигати знайти для себе зручне місце. Тоді в колоїдному розчині будуть по черзі виникати окремі кристали, в кожному з яких будуть лише частинки приблизно однакового діаметру. Довгий час, тим не менш, вважалося, що це не досяжно на практиці.

У новій роботі автори спробували збільшити сили відштовхування між колоїдними частинками для того, щоб ті могли знаходити для себе зручні положення вже після осадження в майбутній кристал. Для цього вчені домоглися того, щоб поверхня всіх частинок в експериментах була негативно зарядженою. Через кулоновське відштовхування в кристалі утворюються області вільного простору, що збільшують внутрішню рухливість. Заряди були підібрані таким чином, щоб відштовхування відбувалося на відстанях на кілька нанометрів більше, ніж діаметр частинок.

Фізики використовували в експериментах частинки оксиду кремнію з діаметром від 8 до 24 нанометрів, причому основну фракцію становили 16-нанометрові сфери. Вчені отримали водні колоїдні розчини з різними концентраціями оксиду кремнію і потім досліджували впорядкування в них за допомогою рентгенівської дифракції. Цей метод дозволяє сказати, є впорядкування в зразку чи ні по тому, як на ньому розсіюється рентгенівське випромінювання.

Розчини, в яких частка об'ємна частинок не перевищувала 16 відсотків, демонстрували звичайну для рідин поведінку. З ростом концентрації до 19 відсотків вчені виявили піки (кільця) в картині рентгенівського розсіювання, що відповідають кристалам з 16-нанометрових частинок, оточених рідиною з іншими неупорядкованими наносферами.

При об'ємній частці оксиду кремнію в 22 відсотки автори помітили утворення нової впорядкованої фази, що складалася зі сфер діаметром 14 і 18 нанометрів. У цих об'єктах чотири великі сфери оточені вісьмома малими. Фізики відзначають, що при спробах змінити матеріал частинок, їх розміри і заряди на поверхні спостерігалася приблизно однакова поведінка.

За словами Пітера Соллича з Кінгс-Коледжу, раніше настільки складна самоорганізація частинок не спостерігалася. Сфери немов би самі вибирають, які позиції в зростаючому кристалі їм необхідно зайняти в залежності від їх розміру. Автори роботи сподіваються, що виявлений ефект допоможе розробити нові способи складання складних колоїдних кристалів «знизу вгору».

Облога колоїдних кристалів використовується для синтезу фотонних кристалів - матеріалів, що є своєрідними аналогами напівпровідників по відношенню до світла. Ключова особливість фотонних кристалів - їх період можна порівняти з довжиною хвилі видимого світла, завдяки чому виникає ряд незвичайних властивостей, наприклад, заборонені фотонні зони.