Nucleaţia şi mişcarea atomilor în 4D
Nucleaţia are un rol important în numeroase fenomene fizice și biologice, care variază de la cristalizare, topire și evaporare până la formarea norilor și apariţia bolilor neurodegenerative.
Cu toate acestea, nucleaţia este un proces dificil de studiat experimental, mai ales în stadiile incipiente, atunci când mai mulți atomi sau molecule încep să formeze o nouă fază dintr-o fază părinte.
Recent, o echipă de fizicieni condusă de University of California, Los Angeles, a folosit o metodă denumită tomografie electronică atomică pentru a studia nucleaţia, la rezoluția atomică, într-un stadiu incipient în 4D (adică în trei dimensiuni ale spațiului și în timp).
Mișcarea atomilor, în 4D, dintr-o nanoparticulă de fier-platină în trei momente diferite ale operației de recoacere. Credit: Alexander Tokarev.
„Acesta este cu adevărat un experiment revoluţionar. Nu numai că putem localiza şi identifica atomii individuali cu mare precizie, dar le putem monitoriza şi mişcarea în 4D pentru prima dată”, a declarat profesorul Jianwei ‘John’ Miao din cadrul University of California.
Profesorul Miao și colegii săi au examinat un aliaj de fier-platină format din particule atât de mici încât mai mult de 10.000 de astfel de nanoparticule alăturate încap pe lățimea un fir de păr uman.
Pentru a studia nucleaţia, cercetătorii au încălzit nanoparticulele până la o temperatură de 520 grade Celsius și au făcut fotografii după 9, 16 și 26 de minute. La această temperatură aliajul suferă o tranziție între două faze solide cu un aranjament atomic 3D diferit.
După încălzire structura atomică devine mai ordonată prin formarea de straturi alternante de atomi de fier și platină.
Cercetătorii au urmărit un număr de 33 de nuclee sau cicluri de atomi, unele dintre acestea fiind la fel de mici precum 13 atomi, din cadrul unei nanoparticule.
Rezultatele au fost surprinzătoare, deoarece ele contrazic teoria clasică a nucleaţiei, care susține că aceste nuclee sunt perfect rotunde. În schimb, oamenii de ştiinţă au constatat în studiu lor că ele au forme neregulate.
Teoria clasică a nucleaţiei afirmă, de asemenea, că de la o anumită mărime nucleul devine din ce în ce mai mare. Cu toate acestea, nucleaţia pare a fi mult mai complexă, deoarece cercetătorii au observat că nucleele s-au micşorat, divizat, unit, iar unele chiar s-au descompus complet.
„Nucleația este în esență o problemă nesoluționată în multe domenii ale ştiinţei”, a declarat Dr. Peter Ercius, cercetător în cadrul Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley.
Studiul, care a fost publicat în revista Nature, oferă dovezi directe că teoria clasică a nucleației nu descrie cu precizie fenomenele la nivel atomic.
Noile descoperiri privind nucleaţia ar putea influenţa cercetările dintr-o gamă largă de domenii ale științei, inclusiv fizică, chimie, știința materialelor, știința mediului și neurologie.
Sursă: Sci-News