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形成复杂晶体的新途径:当材料达到极小的尺寸范围时,奇怪的事情开始发生。这些现象之一是介晶的形成
2021年04月30日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

当材料达到极小的尺寸范围时,奇怪的事情开始发生。这些现象之一是介晶的形成。


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尽管由单独的单个晶体组成,中观晶体仍然聚集在一起,形成了一个更大的,融合的结构,表现为纯的单晶。但是,这些过程发生的规模太小,以至于人眼无法看到,而且它们的创建极具挑战性。


由于这些挑战,科学家无法确切确认介晶的形成方式。


现在,由西北太平洋国家实验室(PNNL)领导的团队进行的新研究使用了先进的透射电子显微镜(TEM)技术来实时观察溶液中的中晶形式。他们所看到的与传统观点背道而驰,他们的见识有一天可以帮助科学家设计储能材料,并了解土壤中矿物质的形成方式。


研究人员观察到,成核和附着在形成这些高度均匀的结构中紧密耦合,而不是单个晶体先成核,而是在两个不相关的步骤中随机聚集为中间晶体。研究人员在2021年2月18日的《自然》杂志上报告了他们的工作。


PNNL和华盛顿大学材料科学家朱国敏说:“我们的发现确定了通过颗粒附着而结晶的重要新途径,并解决了有关介晶形成的关键问题。” 他是由PNNL材料科学家,西北材料物理,化学和技术研究所联合主任Jim De Yoreo领导的研究团队的成员。他补充说:“我们怀疑这是一种普遍现象,对设计纳米材料的合成和对自然矿化的理解都具有重大意义。”


实时看到结晶


该项目需要花费多年的时间来执行,并且需要解决大量的问题。在显微镜实验中,科研团队选择了一个模型系统,其中包括赤铁矿(草皮中常见的一种铁化合物)和草酸盐(一种在土壤中天然存在的化合物)。


他们使用原位TEM可视化了该过程,这使研究人员能够实时观察到纳米级的结晶。他们将这种实时方法与“冻结和外观” TEM相结合,使他们能够在生长过程中的不同点跟踪单个晶体。理论计算有助于完成图景,从而使PNNL团队能够拼凑介晶的生长方式。


研究人员通常在室温下进行大多数原位TEM实验,以简化实验设置并最大程度地降低损坏灵敏仪器的可能性,但中晶的形成速度足以在80°C左右观察到。


他说:“用于加热样品的附加设备使实验变得极具挑战性,但我们知道数据对于了解介晶的形成至关重要。”


加热后,新的赤铁矿纳米晶体使它们易于快速附着在一起,平均而言,它们会导致最终的中观晶体具有相同的大小和形状。


自然界的中晶


这种快速,可靠的附着的化学关键是溶液中存在的草酸盐分子。在最初的几个小晶体形成之后,草酸盐添加剂有助于在液体和生长的晶体的界面处产生化学梯度。粒子成核所必需的更多化学成分在晶体附近徘徊,这大大增加了新粒子在现有粒子附近形成的可能性。


研究人员说,虽然在受控条件下以很小的比例观察到了这种晶体生长途径,但它也可能发生在自然系统中。一些矿床,包括澳大利亚的赤铁矿床,都含有中晶。考虑到草酸盐的天然丰富性,PNNL小组的观察发现,赤铁矿在低至40°C的温度下即可成为介晶,这种形成途径似乎是自然发生的。


由于在整个自然界都发现了中晶,因此这些发现可用于了解环境中的养分循环,以及其他应用。此外,创建接近均匀的复杂结构的途径需要了解形成这种材料的方法如何工作以及如何控制它们。


因此,这项工作在美国能源部科学办公室,基础能源科学办公室,化学科学,地球科学和生物科学部的支持下,为有意制造介晶或类介晶材料开辟了新的可能性。


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