Muchas conchas marinas, minerales y nanomateriales de semiconductores están formados por cristales más pequeños, que se ensamblan juntos como las piezas de un rompecabezas. Ahora, los investigadores han medido las fuerzas que provocan el ensamblaje de los cristales, revelando una orquesta de factores competitivos que los investigadorespodría ser capaz de controlar
El trabajo tiene una variedad de implicaciones tanto en el descubrimiento como en la ciencia aplicada. Además de proporcionar información sobre la formación de minerales y nanomateriales de semiconductores, también podría ayudar a los científicos a comprender el suelo a medida que se expande y contrae a través de los ciclos de humectación y secado.En el ámbito aplicado, los investigadores podrían usar los principios para desarrollar nuevos materiales con propiedades únicas para las necesidades de energía.
Los resultados, publicados en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias en julio, describa cómo la disposición de los átomos en los cristales crea fuerzas que los unen y los alinean para el acoplamiento. El estudio revela cómo la atracción se vuelve más fuerte o más débil a medida que se calienta el agua o se agrega sal, los cuales sonprocesos comunes en el mundo natural.
El equipo multinacional, dirigido por los químicos Dongsheng Li y Jaehun Chun del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía, exploró las fuerzas atractivas entre dos partículas de cristal hechas de mica. Un mineral escamoso que se usa comúnmente en aislamiento eléctrico, este silicio.el mineral a base está bien estudiado y es fácil de trabajar porque se fragmenta en piezas planas con superficies de cristal casi perfectas.
fuerzas y caras
La cristalización a menudo ocurre a través del ensamblaje de bloques de construcción multifacéticos: algunas caras en estos cristales más pequeños se alinean mejor con otras, como lo hacen los bloques Lego. Li y Chun han estado estudiando un proceso de cristalización específico llamado apego orientado. Entre otras características distintivas,el apego orientado ocurre cuando subunidades más pequeñas de cristales incipientes alinean sus mejores caras antes de hacer clic juntas.
El proceso crea varias formas no lineales: nanocables con ramas, celosías que parecen panales complicados y tetrápodos, pequeñas estructuras que parecen gatos de juguete de cuatro brazos. Las fuerzas moleculares que contribuyen a este autoensamblaje no se comprenden bien.
Las fuerzas moleculares que entran en juego pueden atraer o repeler los pequeños bloques de construcción de cristal entre sí. Estas incluyen una variedad de fuerzas de libros de texto como van der Waals, enlaces de hidrógeno y electrostáticos, entre otros.
Para explorar las fuerzas, Li, Chun y sus colegas molieron caras planas en pequeñas losas de mica y las colocaron en un dispositivo que mide la atracción entre dos piezas. Luego midieron la atracción mientras giraban las caras una respecto de la otra. El experimentopermitió que la mica se bañara en un líquido que incluye diferentes sales, lo que les permitió probar escenarios del mundo real.
La diferencia en este trabajo fue la configuración del líquido. Experimentos similares de otros investigadores se realizaron en seco al vacío; en este trabajo, el líquido creó las condiciones que simulan mejor cómo se forman los cristales reales en la naturaleza y en los grandes métodos industriales. El equipo realizóalgunos de estos experimentos en EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, un Centro de Usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en PNNL.
giro y sal
Una de las primeras cosas que el equipo encontró fue que la atracción entre dos piezas de mica subía y bajaba a medida que las caras se retorcían una respecto de la otra, como cuando se trataba de hacer un sándwich con dos imanes planos para refrigerador adelante, pruébaloDe hecho, la atracción aumentó y disminuyó cada 60 grados, lo que corresponde con la arquitectura interna del mineral, que es casi hexagonal como una celda de panal.
Aunque otros investigadores habían predicho hace más de una década que esta atracción cíclica sucedería, esta es la primera vez que los científicos miden las fuerzas. Conocer la fuerza de las fuerzas es clave para manipular la cristalización en un entorno de investigación o industrial.
Pero otras cosas también bullían en el enfrentamiento de la mica. Entre las dos superficies, el ambiente líquido albergaba iones cargados eléctricamente de sales, elementos normales encontrados durante la cristalización en la naturaleza. El agua y los iones formaron una capa algo estable entrelas superficies que los mantenían en parte separados y, a medida que se movían uno hacia el otro, las dos superficies de mica se detuvieron allí, equilibradas entre la atracción molecular y la repulsión por el agua y los iones.
El equipo también descubrió que podían manipular la fuerza de esa atracción cambiando el tipo de iones, su concentración y la temperatura. Los diferentes tipos de iones y sus concentraciones cambiaron la repulsión electrostática entre las superficies de mica. El tamaño de los iones y cómomuchas cargas que llevaban también creaban más o menos espacio dentro de la capa de intromisión.
Por último, las temperaturas más altas aumentaron la fuerza de la atracción, al contrario de cómo se comporta la temperatura en escenarios más simples y menos complejos. Los investigadores construyeron un modelo de las fuerzas competidoras que incluyeron las fuerzas de van der Waals, electrostáticas e hidratantes.
En el futuro, dicen los investigadores, los principios extraídos de este estudio se pueden aplicar a otros materiales, que se calcularían para el material de interés. Por ejemplo, manipular la atracción podría permitir a los investigadores construir cristales personalizados de los tamaños deseadosy formas y con propiedades únicas. En general, el trabajo proporciona información sobre el crecimiento de cristales a través del ensamblaje de nanopartículas en entornos sintéticos, biológicos y geoquímicos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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