Команда фізиків з UCLA за допомогою тривимірної атомної візуалізації показала, що кристали зароджуються не так, як це описує класична теорія нуклеації, якій довіряли майже сто років. Нові дані свідчать, що перехід від впорядкованого кристалу до навколишньої невпорядкованої речовини відбувається поступово, а не через різку межу, як вважалося раніше, повідомляє SciTechDaily.
Що передбачала класична теорія
Класична теорія нуклеації описує, як стартують фазові переходи — наприклад, замерзання рідини чи конденсація пари. Згідно з нею, у хаотичному середовищі виникають невеликі впорядковані області — ядра кристалів. Вони мають чітку межу: всередині — впорядкований кристал, зовні — повний безлад.
Ця картина спиралася на центральне рівняння, яке підтверджували тисячі експериментів. Однак усі вони не бачили сам процес зародження кристалів на атомному рівні в трьох вимірах — він відбувається надто швидко.
Як вдалося «зупинити» зародження кристалів
Дослідники з UCLA використали наночастинки зі складних сплавів — так званих високо- та середньоентропійних. На відміну від звичних сплавів на кшталт сталі, де домінує один елемент, ці матеріали містять кілька металів у приблизно рівних частках.
Щоб зафіксувати різні стадії нуклеації, наночастинки спочатку нагрівали до температур понад 3 000 °F, а потім надшвидко охолоджували до кімнатної температури за кілька сотих секунди. Таке «надохолодження» запускало формування кристалів, але водночас «заморожувало» ядра на різних етапах розвитку.
Після цього вчені застосували атомну електронну томографію — 3D-метод, який дозволяє відтворити розташування кожного окремого атома в наночастинці. Додатковий статистичний аналіз показав, наскільки впорядкованими або невпорядкованими є різні області всередині частинок.
Плавний перехід замість різкої межі
У підсумку дослідники отримали понад 8 000 ядер кристалів, від менших ніж з 10 атомів до більших ніж з 1 000. В усіх випадках виявилася одна й та сама картина: найбільший порядок спостерігався в центрі ядра, а до поверхні він поступово зменшувався.
Тобто межа між кристалом і навколишньою невпорядкованою речовиною виявилася не різкою, а градієнтною. Чим більшим ставало ядро, тим впорядкованішим був його центральний регіон.
Щоб описати ці спостереження, команда розробила нову математичну модель — модель градієнтних шляхів нуклеації. Вона не відкидає класичну теорію, а розширює її. Класичний випадок із різкою межею виявляється лише окремим, спеціальним випадком нової моделі.
Енергетичний бар’єр як «стіна з драбинами»
Класична теорія передбачає чітко визначений мінімум енергії — енергетичний бар’єр, який ядро має подолати, щоб стати стабільним. Лише невелика частина зародків із достатньою енергією «перестрибує» цю умовну стіну.
Експериментальні дані натомість вказують на більш поступовий процес із кількома проміжними станами. Автори порівнюють це з використанням драбини для подолання стіни: замість одного стрибка система проходить через низку проміжних рівнів, що робить подолання бар’єра ефективнішим. Нова модель градієнтних шляхів нуклеації саме й описує таку багатоступеневу стратегію.
Як кристали «узгоджують» орієнтацію
Повний фазовий перехід вимагає, щоб окремі ядра зростали й зливалися. Тут дослідники виявили ще одну несподіванку: більшість сусідніх кристалів формувалися майже в однаковій орієнтації ще до злиття. Це полегшує їхнє подальше об’єднання і, ймовірно, відповідає шляху з нижчою енергією.
Таке попереднє «вирівнювання» показує, що в організації матерії під час фазових переходів діють тонкі енергетично вигідні механізми, які раніше не вдавалося побачити напряму.
Наслідки для матеріалознавства і не тільки
Високо- та середньоентропійні сплави, використані в роботі, відомі незвичними поєднаннями властивостей — міцністю, гнучкістю, потенціалом для створення ефективних і довговічних каталізаторів. Глибше розуміння нуклеації може допомогти цілеспрямовано проєктувати такі матеріали.
Оскільки нуклеація лежить в основі безлічі природних і технологічних процесів — від утворення крапель у хмарах до виробництва харчів, ліків, напівпровідників та електроніки, — нова модель може вплинути на дослідження в багатьох галузях. Сам підхід до атомної візуалізації також відкриває шлях до детального вивчення інших систем, де відбуваються фазові переходи.
Автори роботи очікують, що їхні результати змінять базове уявлення про те, як матерія самоорганізується під час переходу з однієї фази в іншу, і зрештою знайдуть відображення навіть у підручниках.