Как вырастить самородок: изучение слияния нанокристаллов золота под микроскопом

На уроках химии и в повседневной жизни мы сталкиваемся с явлениями кристаллизации, не замечая в этом ничего необычного. Однако под электронным микроскопом открывается удивительный мир двойникования и коалесценции наночастиц. Особенно интересно, когда сливаются частицы золота.Золото с давних времен привлекает внимание человечества.Источник: Unsplash

Кристаллизация, являющаяся основополагающим физико-химическим процессом, включает в себя две фазы: образование зародыша и его рост. Последний этап определяет морфологию, размер и чистоту кристаллических материалов. Процесс роста кристаллов является предметом активных научных изысканий, направленных на изучение дефектов кристаллообразования и методов их устранения. Понимание механизмов роста кристаллов на атомном уровне давно является главной задачей в данной области.

Международная команда исследователей из Синьцзянского технического института физики и химии Китайской академии наук совместно с учеными из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (США) и Иберийской нанотехнологической лаборатории (Португалия) показала на атомном уровне, как коалесценция кристаллов зависит от таких факторов, как размер, частота дефектов и пути сближения наночастиц. Результаты исследования были опубликованы в журнале Американского химического общества.

С применением современных методов динамической визуализации in situ с использованием просвечивающего электронного микроскопа с коррекцией аберраций (AC-TEM) — инструмента, обеспечивающего атомарную точность, — исследователи проанализировали постнуклеационный рост пятикратно сдвойникованных нанокристаллов золота по мере их объединения в более крупные структуры.

Наблюдения выявили два главных пути, которыми эти 5-FT золотые нанокристаллы растут благодаря коалесценции:

• Когда два маленьких нанокристалла (каждый размером 6–11 нм) сливаются, процесс инициируется за счет «раздвойникования» — механизма, который уменьшает внутренние структурные дефекты.
• Когда нанокристалл 5-FT соединяется с другим нанокристаллом (неопределенной структуры), рост определяется преимущественно перегруппировкой атомов и миграцией по поверхности.

Исследование показало, что как только объединенные частицы превышают критический размер, они имеют склонность формировать сложные многодвойниковые структуры.

Важно отметить, что помимо размера частиц были определены и другие факторы, влияющие на коалесценцию — начальная плотность планарных дефектов и конкретные пути, по которым нанокристаллы приближаются друг к другу, оказывают влияние на скорость роста и конечную структуру образованного кристалла.