Щекочут ли они ваш нос, ложатся ли на ваши ресницы или тают на языке — мало какие зимние чудеса так же завораживают, как снежинки. Эти ледяные кристаллы известны своим неповторимым внешним видом, который можно объяснить множеством процессов, протекающих одновременно во время роста снежинок. Молекулы воды затвердевают и слипаются в холодном воздухе.
Собираясь вместе, они образуют сложные шестиугольные структуры, часто микроскопические. Образование снежинок — одно из самых захватывающих явлений в природе. Две снежинки никогда не бывают точной копией друг друга, поскольку формы каждой крошечной ледяной веточки очень чувствительны к быстро меняющимся температуре и влажности.
Однако, когда речь идёт о металлических микрокристаллах, образующихся под действием сложных сил, снежинки — это лишь верхушка айсберга. В ходе нового исследования, проведённого кафедрой прикладной физики и материаловедения Университета Северной Аризоны (NAU), группа учёных обнаружила, что аналогичные явления происходили и с созданными ими нанокристаллами золота, меди и железа.
Когда металлические частицы слипались во время молниеносной химической реакции, они образовывали пусть не шести-, но пятиугольные структуры, очень похожие на природные снежинки. Это явление имеет невероятное значение для будущего нанотехнологий.
«Впервые мы демонстрируем, что явление эмержентности, наблюдаемое в снежинках, играет ключевую роль в нанотехнологиях, — говорит профессор Мигель Хосе Якаман. — Внедряя физику сложных систем, мы можем контролировать синтез наноматериалов и расширить сферу их применения».
Термин «эмерджентность» описывает случаи, когда сложные системы обладают свойствами, которых нет у их отдельных частей. Уникальное поведение возникает только тогда, когда части объединяются, образуя непредсказуемое целое. Эта теория может быть использована для понимания явлений в самых разных областях, включая биологию, физику, химию, экономику, философию и даже поэзию.
Явление эмержентности, наблюдаемое в снежинках, играет ключевую роль в нанотехнологиях
«Ярким примером эмерджентности является процесс формирования организма человека, — поясняет профессор Мигель Хосе Якаман. — Когда эмбрион начинает расти, в процессе самосборки происходит множество химических реакций и физических явлений, и результатом является разнообразие. Нет двух одинаковых людей, как и снежинок, потому что самосборка может следовать разным путям».
Но всё же как открытое явление эмерджентности в микрокристаллах металлов связано с нанотехнологиями? В этой высокотехнологичной сфере одной из самых больших проблем, с которыми сталкиваются учёные, является надёжный контроль процесса образования наноматериалов. Рост наночастиц зависит от множества термодинамических и кинетических факторов, которые объединяются в процессы, практически не поддающиеся прогнозированию или воспроизведению.
Часто проблему пытаются обойти, накапливая материалы медленно и при высоких температурах. Однако эти методы не идеальны для наночастиц и могут привести к тому, что мелкие частицы сливаются в нежелательные формы. Группа учёных из NAU использовала новый метод синтеза наночастиц, который, наоборот, характеризуется чрезвычайно быстрыми реакциями.
Синтез снежинкоподобных микрокристаллов золота осуществлялся в основном за счёт кинетического контроля. В этом процессе использовался метод восстановления солей с помощью поверхностно-активных веществ на нагретой подложке.
Исследователи нагрели небольшой кремниевый чип до 280 °C, прежде чем поместить туда соли металлов и добавить химические вещества, предназначенные для стимулирования роста. Менее чем за 10 секунд соли металлов образовали кристаллы длиной от 1 нанометра до нескольких микрометров. Быстрая реакция позволила учёным в мгновение ока пронаблюдать все стадии роста наночастиц и фиксировать полученные результаты.
На выходе получились уникальные многометаллические структуры. Более мелкие кристаллы имели простые формы, известные по результатам предыдущих исследований, но более крупные частицы получились более сложными, обладающими пятиугольной симметрией и оптической активностью. Общие формы с вогнутыми поверхностями и внутренними полостями повторялись, но каждая частица имела разный металлический состав.
Что именно стало причиной этих псевдоледяных странностей? Предполагается, что образование снежинкообразных микрокристаллов металлов представляет собой пример явления эмерджентности.
Профессор Мигель Хосе Якаман.
Авторы исследования утверждают, что как их металлические кристаллы, так и снежинки подчиняются одной и той же динамике возникновения. Наночастицы группируются или агрегируются, образуя более крупные сверхструктуры. В результате каждое из этих металлических чудес совершенно уникально, как и их природные ледяные прототипы.
Открытый процесс может найти множество применений в сфере синтеза многометаллических наночастиц, позволяя лучше контролировать создаваемые наноматериалы. Это откроет путь к беспрецедентным научным прорывам.
«Большинство природных явлений сложны и могут стать хаотичными, например, погода или фондовый рынок, где долгосрочные прогнозы очень сложны, — говорит профессор Мигель Хосе Якаман. — Тем не менее, при образовании сложных систем возникает состояние, которое не обязательно является хаотичным. Пока наши возможности прогнозирования очень ограничены, но мы уже можем получить приблизительное представление о конечном результате».
Перевод Виктора Симионова
по материалам сайта https://phys.org
