Исследователи под руководством специалистов Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе изучили образование кристаллов в трехмерном пространстве на уровне отдельных атомов. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Materials. Они показали, что зарождение кристаллических структур происходит не совсем так, как предполагает классическая теория, которой ученые пользовались почти сто лет.
Классическая модель описывает появление в неупорядоченном веществе небольших упорядоченных областей — зародышей кристаллов. Ранее считалось, что такие области имеют четкую границу с окружающим материалом. Однако трехмерные атомные карты показали постепенный переход от упорядоченного ядра к менее упорядоченной внешней части.
Для эксперимента ученые использовали наночастицы из сложных сплавов, содержащих несколько металлических элементов примерно в равных долях. Частицы нагревали, а затем за сотые доли секунды охлаждали с температуры свыше 3 тысяч градусов по Фаренгейту до комнатной. Такой способ позволил остановить формирование кристаллов на разных этапах и рассмотреть процесс, который обычно идет слишком быстро.
После этого специалисты применили атомную электронную томографию, позволяющую восстановить строение каждой наночастицы по отдельным атомам. В общей базе оказалось более 8 тысяч кристаллических зародышей размером от менее чем десяти до более чем тысячи атомов. Во всех случаях наибольшая упорядоченность наблюдалась в центре, а по направлению к поверхности она постепенно снижалась.
На основе полученных данных авторы предложили модель градиентных путей зарождения кристаллов. Она дополняет классическую теорию и предполагает, что процесс проходит через несколько промежуточных состояний, а не преодолевает один строго определенный энергетический барьер. Также выяснилось, что близко расположенные кристаллы нередко приобретают одинаковую ориентацию еще до объединения.
Новая модель может использоваться при изучении фазовых переходов и создании материалов с заданными свойствами. Формирование кристаллических зародышей имеет значение для производства сплавов, химических катализаторов, полупроводников, электроники, лекарств и пищевой продукции. Исследователи считают, что метод атомной визуализации поможет подробнее изучать такие процессы в различных системах.
