Исследователи из UCLA получили трехмерные атомные изображения, которые помогли по-новому взглянуть на то, как начинается переход вещества из жидкого состояния в твердое. Работа показала, что процесс кристаллизации может идти не так, как это описывает классическая теория зарождения. Результаты опубликованы в журнале Nature Materials.
На протяжении почти ста лет ученые опирались на классическую теорию зарождения, объясняя ею, как запускаются фазовые переходы, включая замерзание и конденсацию. Согласно этой модели, в беспорядочной среде появляются небольшие упорядоченные области, которые становятся зародышами будущего кристалла. Однако при изучении формирования кристаллов на атомном уровне в трех измерениях картина оказалась иной.
Для эксперимента использовали наночастицы из сложных сплавов с разной степенью атомного порядка. Исследователи разработали способ «замораживать» кристаллические зародыши на разных стадиях роста, чтобы успеть изучить процесс, который обычно происходит слишком быстро. Затем они применили атомную электронную томографию, позволяющую восстановить структуру частицы по отдельным атомам.
В полученных 3D-картах граница между упорядоченной кристаллической областью и окружающим беспорядочным материалом оказалась не резкой, а плавной. Как отметил соавтор работы Цзяньвэй «Джон» Мяо, в центре каждого зародыша наблюдалась наибольшая кристалличность, а по мере приближения к краю порядок постепенно снижался. Всего в набор данных вошло более 8 тысяч зародышей, и у большинства из них повторялся один и тот же рисунок.
Чтобы описать увиденное, ученые предложили модель gradient nucleation pathways, то есть модель градиентных путей зарождения. Она расширяет классическую теорию, а не отменяет ее, и показывает, что процесс может проходить через несколько промежуточных стадий. Авторы также выяснили, что соседние кристаллы чаще всего заранее выстраивались почти в одном направлении, что облегчало их последующее слияние.
По словам Мяо, такие результаты могут повлиять на понимание процессов, которые лежат в основе образования облачных капель, промышленного производства и других явлений. Исследователи считают, что их подход поможет точнее описывать зарождение кристаллов и может быть полезен при разработке новых материалов. В UCLA также полагают, что в будущем это может изменить представления о фазовых переходах в учебниках.