Хіміки побачили хвилі розчинення на поверхні кристалів у воді

Німецькі вчені виявили, що повільне розчинення кристалів у воді відбувається імпульсами і призводить до поширення вздовж поверхні кільцевих мікрохвиль. Виявлений механізм допоможе дослідити кінетику розчинення в обмежених обсягах і транспорту речовин у пористих матеріалах, пишуть хіміки в статті в.

Протікання хімічної реакції на кордоні між рідиною і твердим тілом призводить до того, що рельєф твердої поверхні сильно змінюється. Простеживши за зміною рельєфу, можна отримати інформацію про кінетику хімічної реакції. Найпростішими подібними реакціями можуть бути кристалізація або розчинення твердих речовин. Якщо механізм кристалізації вивчений досить добре, то про механізм розчинення кристалів відомо трохи менше. Вважається, що він повністю протилежний зростанню і відрив іонів під час розчинення відбувається послідовно і безперервно. Але якщо для добре розчинних речовин така модель може використовуватися, то її застосовність для опису механізмів повільного розчинення викликає питання.

Щоб зрозуміти, як відбувається процес повільного розчинення кристалів у воді насправді, німецькі хіміки Корнеліус Фішер (Cornelius Fischer) і Андреас Люттге (Andreas Lüttge) з Бременського університету використовували метод вертикальної скануючої інтерферометрії. Цей метод дозволяє скласти карту зміни рельєфу поверхні кристала з точністю до 1 нанометра. З отриманих даних про перенесення маси можна потім отримати інформацію про швидкість реакції. У своєму дослідженні автори роботи вивчили процес розчинення двох малорозчинних кристалів з різним типом решіток: оксиду цинку ZnO з гексагональною кристалічною решіткою і карбонату кальцію CaCO₃ - з ромбічною. За оцінками хіміків, за одну секунду з одного квадратного метра поверхні цих кристалів розчиняється близько одного мікромоля речовини.

Виявилося, що під час розчинення кристала по його поверхні починають поширюватися хвилі «зменшення маси» речовини, відстань між якими становить кілька мікрометрів. Подібний хвильовий фронт характерний і для швидкості і прискорення реакції розчинення. Це означає, що процес розчинення насправді відбувається не за загальноприйнятим безперервним механізмом, зворотним кристалізацією, а уривчастими імпульсами. При цьому джерелами хвиль (тобто початковими центрами розчинення) служать точкові дефекти на поверхні кристала.

Автори дослідження зазначають, що отримані експериментальні дані добре описуються теоретичною моделлю наростаючої хвилі. Згідно з цією моделлю, елементарний крок реакції розчинення - відрив атома від решітки кристала - відбувається в області дефекту. Положення дефекту при цьому зміщується, і реакційним центром стає наступний атом. Це призводить до поширення кругового фронту розчинення вздовж поверхні кристала. Коли хвильовий фронт йде від центру нуклеації досить далеко, він запускає новий крок розчинення, що і призводить до утворення концентричних хвиль, що рухаються вздовж поверхні. Вчені відзначають, що через наявність великої кількості дефектів на поверхні витратні хвилі постійно взаємодіють між собою, що призводить до утворення поверхні зі складною геометрією і формування нових реакційних центрів.

За словами вчених, швидкість поширення хвилі і відстань між сусідніми хвилями визначається динамічною квазірівновагою між процесами розчинення і кристалізації (тобто відривом іонів з поверхні і приєднанням назад). Аналогічним чином, наприклад, протікає процес випаровування рідини з поверхні: частина молекул рідини переходить в газову фазу, і одночасно з цим частина молекул з газу конденсується назад в рідину, визначаючи таким чином швидкість випаровування.

Автори зазначають, що отримані дані для малорозчинних кристалів можна використовувати для вивчення кінетики динамічної рівноваги між процесами розчинення і кристалізації, передбачення швидкостей реакцій, заснованих на розчиненні кристалів у мікроскопічних обсягах, і моделювання транспорту речовин усередині пористого середовища.

Також результати роботи можна буде використовувати для розробки пристроїв для медичних і хімічних додатків, заснованих на процесі повільного розчинення кристалічних речовин у воді: електроніки, батарей або біорозкладених імплантатів, що розчиняється.