Нановзгляд на рост кристаллов

 


Кристаллы обычно зарождаются в расплаве и затем растут, приобретая в итоге совершенные формы. Детальный механизм процесса роста кристаллов пока окончательно не понят.

Свыше 100 лет назад Вильгельм Оствальд сформулировал так называемое “правило стадий” (“rule of stages”). Основываясь на результатах визуального наблюдения за кристаллизацией переохлажденных расплавов и пересыщенных растворов, он постулировал, что кристалл формируется путем цепочки последовательных переходов из одного метастабильного состояния в другое, пока не достигнет термодинамического равновесия.

Сначала группа атомов спонтанно образует маленький упорядоченный кластер, который начинает расти за счет присоединения к нему других атомов, но при этом остается термодинамически неустойчивым и поэтому в любой момент может вновь “раствориться”. Однако как только размеры этого кластера достигают определенной критической величины (при которой понижение энергии за счет упорядочения атомов внутри кластера больше, чем рост энергии из-за формирования у кластера “поверхности”), его диссоциации уже не происходит.

Пока радиус кристаллита меньше критического, новые атомы могут присоединиться к нему только в том случае, если им удастся преодолеть определенный энергетический барьер. Оствальд предположил, что существуют некоторые “промежуточные” состояния кластера, для которых этот барьер сравнительно низок и поэтому может быть легко преодолен за счет термических возбуждений, так что кластер успевает “дорасти” до термодинамически устойчивого размера.

С экспериментальной точки зрения, исследования начального этапа образования кристалла осложняются высокой скоростью роста зародыша до критической величины и большим количеством таких зародышей, одновременно присутствующих в расплаве. Эти трудности были преодолены корейскими учеными, изучавшими не рост кристаллов в расплаве, а рекристаллизацию аморфной фазы. Подбирая температуру системы в интервале между температурами рекристаллизации и плавления, они смогли тем самым регулировать характерное время формирования кристаллитов и сделать его доступным для экспериментального наблюдения (несколько минут). Кроме того, в работе была использована локальная электронная микроскопия, что позволило проследить за “жизнью” отдельных кристаллитов. В целом правило Оствальда подтвердилось: имели место последовательные переходы кластера-нанокристаллита от менее устойчивых кристаллических форм к более устойчивым. Детали микроскопического механизма таких переходов еще предстоит выяснить.


Источник: NanoNewsNet