Физики увидели «запрещенную» самосборку коллоидного кристалла

Физики увидели «запрещенную» самосборку коллоидного кристалла

Физики из Франции и Германии обнаружили образование коллоидных кристаллов в «запрещенных условиях». Ученые обнаружили, что даже при наличии в растворе частиц с широким диапазоном размеров все равно возможен рост упорядоченных кристаллов. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics.

В отличие от традиционных кристаллов (к примеру, воды или кварца), состоящих из отдельных молекул, в роли составляющих коллоидных кристаллов выступают крупные частицы, размеры которых могут доходить до сотен нанометров. Такие объекты возникают при медленном осаждении коллоидных частиц из растворов. Как правило, если размеры твердых частиц, взвешенных в растворе немного отличаются — например, если диаметр частиц колеблется от 9,9 до 10,1 нанометров, — то рост таких кристаллов сильно затруднен или невозможен. 

Существует ряд теоретических предположений, что в достаточно разбавленных растворах частицы могут успевать найти для себя удобное место. Тогда в коллоидном растворе будут по очереди возникать отдельные кристаллы, в каждом из которых будут лишь частицы примерно одинакового диаметра. Долгое время, тем не менее, считалось, что это не достижимо на практике. 

В новой работе авторы попытались увеличить силы отталкивания между коллоидными частицами для того, чтобы те могли находить для себя удобные положения уже после осаждения в будущий кристалл. Для этого ученые добились того, чтобы поверхность всех частиц в экспериментах была отрицательно заряженной. Из-за кулоновского отталкивания в кристалле образуются области свободного пространства, увеличивающие внутреннюю подвижность. Заряды были подобраны таким образом, чтобы отталкивание происходило на расстояниях на несколько нанометров больше, чем диаметр частиц.

Физики использовали в экспериментах частицы оксида кремния с диаметром от 8 до 24 нанометров, причем основную фракцию составляли 16-нанометровые сферы. Ученые получили водные коллоидные растворы с различными концентрациями оксида кремния и затем исследовали упорядочение в них с помощью рентгеновской дифракции. Этот метод позволяет сказать, есть упорядочение в образце или нет по тому, как на нем рассеивается рентгеновское излучение.

Растворы, в которых доля объемная частиц не превышала 16 процентов, демонстрировали обычное для жидкостей поведение. С ростом концентрации до 19 процентов ученые обнаружили пики (кольца) в картине рентгеновского рассеяния, соответствующие кристаллам из 16-нанометровых частиц, окруженных жидкостью с другими неупорядоченными наносферами. 

При объемной доле оксида кремния в 22 процента авторы заметили образование новой упорядоченной фазы, состоявшей из сфер диаметром 14 и 18 нанометров. В этих объектах четыре крупных сферы окружены восемью малыми. Физики отмечают, что при попытках изменить материал частиц, их размеры и заряды на поверхности наблюдалось примерно одинаковое поведение.

По словам Питера Соллича из Кингс-Колледжа, ранее столь сложная самоорганизация частиц не наблюдалась. Сферы словно бы сами выбирают, какие позиции в растущем кристалле им необходимо занять в зависимости от их размера. Авторы работы надеются, что обнаруженный эффект поможет разработать новые способы сборки сложных коллоидных кристаллов «снизу вверх».

Осаждение коллоидных кристаллов используется для синтеза фотонных кристаллов — материалов, являющихся своеобразными аналогами полупроводников по отношению к свету. Ключевая особенность фотонных кристаллов — их период сопоставим с длиной волны видимого света, благодаря чему возникает ряд необычных свойств, например, запрещенные фотонные зоны. 

Владимир Королёв

N+1

Похожие новости:
Физики увидели «нанозвезды» на фоне «сверхпроводящей вселенной»
Российские физики вместе с французскими коллегами впервые увидели возбужденные состояния вокруг единичных магнитных атомов железа. Они обнаружили, что магнитные атомы создают возмущения, которые выглядят как осциллирующие «нанозвезды» на фоне «сверхпроводящей вселенной». Результаты своих исследований авторы ..
2015-10-13 1589 0 Научные открытия
-1
Ученые показали танцующие атомы кремния
Физики из Национальной лаборатории Оук-Ридж запечатлели «танцующие» атомы кремния. Статью об этом ученые опубликовали в журнале «Nature» Краткое содержание статьи доступно, в пресс-релизе на сайте лаборатории. Там же размещено видео (.mov) «танца». Ученые продемонстрировали необычное поведение частиц, поместив ..
2013-04-4 1926 0 Научные открытия
2
Физики увидели предсказанные в 1929 году безмассовые фермионы
Физики сообщили об экспериментальном открытии так называемых фермионов Германа Вейля. Их существование было теоретически предсказано немецким физиком в 1929 году, а квазичастицы ученые обнаружили в ходе экспериментов с кристаллами. Результаты своих исследований ученые опубликовали в журнале Science. Вейлевские квазичастицы ..
2015-07-18 6595 0 Научные открытия
0
Физики впервые увидели «отрицательное» преломление электронов
Физики из США и Японии впервые напрямую «увидели» преломление электронов под отрицательными углами — явление, аналогичное поведению света в средах с отрицательным коэффициентом преломления. Необычный физический эффект наблюдался в графене, слое графита толщиной в один атом. По словам ученых, с его помощью можно ..
2016-10-11 2074 0 Научные открытия
0
Японские физики-ядерщики нашли магическое число
Японские ученые утверждают, что нашли новое так званое «магическое число» — ключ к определению, когда ядро атома становиться стабильным. В ядерной физике магические числа — ряд натуральных чётных чисел, соответствующих количеству нуклонов в атомном ядре, при котором ..
2013-10-16 3136 3 Научные открытия
2
Таинственный двухфотонный пик пропал из данных БАК
Физики из коллабораций ATLAS и CMS рассказали о последних результатах поисков частиц вне Стандартной модели на Большом адронном коллайдере. Ученые искали частицы, распадавшиеся на два фотона в данных, собранных за 2016 год. По словам представителей коллаборации ATLAS новые данные не подтверждают избыток ..
2016-08-07 1294 0 Научные открытия
0
Физики приблизили мир к промышленному термояду
Учёным Института ядерной физики (ИЯФ) Сибирского отделения РАН удалось разогреть термоядерную плазму до рекордной электронной температуры 400 электрон-вольт (4 499 726,85 градусов Цельсия). Это достижение – важный результат на пути к термоядерной энергетике, подтверждающий возможность создания нейтронных генераторов ..
2013-12-6 1828 0 Научные открытия
0
Физики нашли бозон Хиггса
Физики установили факт существования бозона Хиггса - недостающего элемента в цепочке объяснения мироздания, сообщает РИА Новости. По данным агентства, в блогах ученых об этом говорится как о свершившемся факте, участник исследований, сотрудник НИИ ядерной физики МГУ Эдуард Боос сказал, что после ..
2012-06-19 3123 2 Научные открытия
1
Исследователь назвал бессмысленным открытие бозона Хиггса
Сторонник теории о том, что эксперименты, проводимые на Большом адронном коллайдере - опасны, исследователь-физик Евгений Довгель рассказал об этом «Русской службе новостей». «Теоретическая физика давно находится в кризисе. И запуск коллайдера - это надежда вырваться из него. Коллайдерная физика открывает те частицы, ..
2012-07-4 2728 0 Научные открытия
0
Американские физики научились получать небывалую температуру
Американские физики попали в Книгу рекордов Гиннесса. Во время эксперимента им удалось получить вещество, разогретое до 4 триллионов градусов Цельсия — это в 250 тысяч раз больше, чем температура в центре Солнца! Учёные сталкивали в коллайдере разогнанные почти до скорости света ядра атомов золота. ..
2012-06-26 3692 0 Научные открытия
1
Японские физики докладывают об открытии 113-го элемента
Группа японских учёных представила экспериментальные свидетельства того, что ей удалось синтезировать сверхтяжёлый элемент со 113 протонами в ядре, пока носящий название унунтрий, сообщает Lenta. Ru. Изотоп унунтрия 278113 физики получали в реакции вида 209Bi + 70Zn > 278113 ..
2012-09-29 1803 0 Научные открытия
0
Учёные открыли тайну магнетизма нашей Вселенной
Учёные использовали лазер для создания магнитного поля, аналогичного тем, которые по их мнению могли принять участие в формировании первых галактик, сообщает «WordScience.org». Полученные результаты могли бы помочь разрешить загадку того, как наша Вселенная получила свой магнетизм. Магнитные ..
2012-03-25 1986 0 Научные открытия
0
Учёные  создали первый в России ускорительный масс-спектрометр
Первый в России ускорительный масс-спектрометр (АМС), созданный Институтом ядерной физики им.Г.И.Будкера  СО РАН, прошёл тестовые испытания. С его помощью учёные смогут точнее определять возраст геологических и археологических находок, при этом для анализа им будет достаточно нескольких миллиграмм вещества. АМС-спектрометр ..
2012-03-14 1487 0 Научные открытия
0
Физики создали волокна для лазерной ткани
Физики из Итальянского технологического института в Арнесано научились получать нановолокна, которые могут выступать в роли рабочего тела лазера. В будущем эти волокна могут стать основой «лазерной ткани». Исследование выложено в виде препринта в архиве Корнельского университета, кратко ..
2013-12-18 1500 0 Научные открытия
0
Физики разработали настольный рентгеновский лазер
Международный коллектив физиков разработал настольный рентгеновский лазер, который можно применять для биологических, физических и других научных исследований, говорится в статье, опубликованной в журнале Science. Считается, что широкое распространение рентгеновских лазеров в научных лабораториях повлечет за собой микро-революцию ..
2012-06-10 2078 0 Научные открытия
0