Обертання магнітного поля допомогло розібратися у формуванні колоїдних кристалів

Американські фізики вивчили процеси кристалізації в почесних колоїдних системах при різній силі взаємодії між парамагнітними частинками. Для управління взаємодією автори роботи використовували обертове однорідне магнітне поле. За допомогою запропонованого експерименту вдалося визначити поверхневе натягнення і вивчити кінетику перекристалізації таких систем, пишуть вчені в.

На відміну від звичайних кристалів, що складаються з атомів, іонів або молекул, колоїдні кристали являють собою впорядковані тривимірні і почесні системи, складені з нанометрових або мікронних частинок, як правило сферичних. У таких системах можуть виникати незвичайні оптичні, хімічні або електронні властивості: наприклад, подібним чином влаштовані фотонні кристали, в яких період можна порівняти з довжиною хвилі видимого світла і може виникати фотонна заборонена зона. При цьому на відміну від звичайних кристалів, механізми кристалізації колоїдних кристалів вивчені не так добре, і як в кристалі будуть взаємодіяти домени або окремі частинки при зміні температури або типі взаємодії між частинками, до цих досліджено не повністю.

Щоб зрозуміти, яким чином змінюється кінетика кристалізації почесних колоїдних кристалів, американські фізики з Університету Райса під керівництвом Сібані Лізи Бізвал (Sibani Lisa Biswal) запропонували спостерігати за кластерами із заряджених парамагнітних полімерних мікрошариків, поміщених у обертове однорідне магнітне поле. Діаметр кожного мікрошарика в проведених експериментах становив 1,1 мікрометра, величина магнітного поля - від 8 до 12 гауссів, а частота обертання - 20 герц. Розміри досліджених кластерів становили від 300 до 1500 частинок.

Величина магнітного поля в такому експерименті фактично визначає співвідношення теплової енергії до енергії, відповідальної за впорядкування системи (в даному випадку, магнітної). Виявилося, що при приміщенні в поля суспензії мікрочастинок для мінімізації поверхневої енергії збираються в кластери круглої форми. При цьому залежно від величини магнітного поля для такої системи характерна різна ступінь впорядкування. Так, при відносно слабких полях частинки в кластерах поводяться подібно рідини, а при великих - утворюють впорядковану гексагональну кристалічну решітку.

Аналогічні особливості характерні і для взаємодії двох кластерів між собою. При невеликих полях вони зливаються один з одним як рідкі краплі, а при великих - спочатку утворюють дводоменний кристал, в якому з часом відбувається перекристалізація, і протягом приблизно 10 хвилин утворюється єдиний впорядкований акціонерний кристал.

При цьому якщо в разі більш слабких взаємодій (або більш високих температур) форма кластера визначається поверхневим натягненням, то в разі утворення кристалічної структури, поверхнева енергія значно нижча, і форма частинки пов'язана з процесом кристалізації і парною взаємодією між частинками.

Автори роботи відзначають, що подібна поведінка системи добре описується за допомогою ангармонічного потенціалу взаємодії між частинками, величину якого можна регулювати, змінюючи зовнішнє магнітне поле. Тому в майбутньому такі системи можна використовувати як модель для вивчення систем з далекодіючими силами тяжіння. Зокрема, на таких системах можна дослідити ефекти, що виникають у почесних колоїдних системах на поверхнях, межах розділу фаз і міждоменних стінках.

У почесних колоїдних кристалах, складених з немагнітних частинок, керувати процесами кристалізації можна дргуїми способами. Наприклад, щоб уповільнити збирання кристала, збільшити рухливість частинок і отримати більш рівноважні форми колоїдних кристалів, вчені використовують електростатичне відштовхування. А для керування поведінкою дефектів, меж доменних стінок і формою кристалів можна застосовувати, наприклад, лазерне плавлення.