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:
Трудности с Наукой: о лабораторном модуле
Противоречивая информация поступает из разных источников относительно сроков запуска многоцелевого лабораторного модуля «Наука», который должен пополнить состав Международной космической станции (МКС), сообщает «The_Anonymous». По одним данным из открытых источников, этот космический аппарат должен ..
2012-04-24 2407 0 Научные открытия
0
Учёные совершили невероятный прорыв в исследовании ДНК
Учёными разработан новый перспективный метод, продвигающий персонализированную медицину, сообщает «LightNews». Совсем недавно учёный Йохан Хоффманн, доктор Гюнтер Рот и профессор Роланд Ценгерле из «Department of Microsystems Engineering» (IMTEK) при «Университете Фрайбурга» (University of Freiburg) смогли одновременно скопировать ..
2012-08-11 2390 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 3985 3 Научные открытия
2
Ученые обнаружили мост из тёмной материи
Ученые объявили об обнаружении «моста» из тёмной материи.Астрономы из Мичиганского университета под руководством Йорга Дитриха провели измерения филамента из тёмной материи,который соединяет скопления двух галактик Abell222 и Abell223,которые от нас отстоят на 2.7миллиардов световых лет.Они полностью подтверждают существование тёмной ..
2012-07-6 2865 0 Научные открытия
0
За 2011 год названы самые важные события в науке
В прошлом году в IT, а также научной отрасли произошли запоминающиеся события. Одно из главных событий – смерть Стива Джобса, который основал «яблочную» компанию. Многие считают, что Стив был тем, кто умел сделать разработки своей компании такими привлекательными ..
2012-02-3 2293 0 Научные открытия
0
Учёные открыли структуру молекулярного двигателя
Структуры и функции «молекулярного двигателя», который оказывает решающее значение на правильное функционирование органов человека, были выявлены в беспрецедентных деталях, сообщает «ВордАйти». В случае неисправности «молекулярного двигателя» у человека появляются такие заболевания, как рак, почечная недостаточность и остеопороз. Международная ..
2011-11-3 2379 0 Научные открытия
0
ООН: состояние Земли быстро ухудшается
Планета Земля, состояние которой сильно ухудшилось за последние 60 лет, скоро достигнет критической черты, если мировые лидеры не пересмотрят подходы к развитию государств и использованию природных ресурсов, следует из доклада, опубликованного в среду Программой ООН по окружающей среде (ЮНЕП). В ..
2012-06-7 2033 1 Научные открытия
0
Учёные выяснили: вымершие динозавры столкнулись с огнём
Новое исследование показывает, что динозавры столкнулись с такой неожиданной опасностью, как огонь, сообщает «WordScience.org». Результаты исследования, опубликованные в журнале «Cretaceous Research» учёными из «Royal Holloway», Лондонского университета (University of London) и «Field Museum of Natural History» (Чикаго), показали, что во время ..
2012-04-4 1991 0 Научные открытия
0
Учёными совершён прорыв в изучении болезни Альцгеймера
Основные причины болезни Альцгеймера ещё не полностью изучены, но немало свидетельств указывает на накопление бета-амилоида — белок, являющийся токсичным для нервных клеток. Бета-амилоид образуется в результате деятельности ряда ферментов, один из них называется «BACE1». Большинство пациентов с болезнью Альцгеймера ..
2012-08-21 2085 0 Научные открытия
0
Science назвал знаменательные научные открытия 2011 года
Эксперты, которые работают в издании под названием Science, перечислили несколько наиболее существенных научных открытий, которые были сделаны в 2011 году. А специальные судьи выбирали из данного списка наиболее великое научное достижение, которое получило название «прорыв ..
2011-12-28 2750 0 Научные открытия
0
В Антарктиде стремительно распадается шельфовый ледник
Спутник «ESA Envisat» отмечает десять лет в орбите и продолжает наблюдать за отступлением одного из шельфовых ледников Антарктиды в связи с потеплением климата, сообщает «WordScience.org». Одним из первых наблюдений спутника после его запуска, произошедшего 1-го марта 2002-го года, был распад основной ..
2012-04-6 2087 0 Научные открытия
0
Ученые отозвали исследование о стволовых клетках
Японский ученый заявил относительно инновационного исследования о стволовых клетках, что результаты экспериментов должны быть отозваны из-за сомнений относительно качества, сообщает unitworld.net. В январе от ученых поступило заявление, что погружение клеток в кислоту может дешево и быстро преобразовать их в стволовые клетки. Но вопросы возникли из-за того, ..
2014-03-12 2694 0 Научные открытия
0
Прибор на МКС зафиксировал позитронные следы темной материи
Нобелевский лауреат Сэмуэль Тинг на пресс-конференции в Женеве озвучил первые результаты эксперимента по поиску темной материи, которые проводились на МКС при помощи магнитного альфа-спектрометра «AMS-02». Кратко они изложены в пресс-релизе на сайте ЦЕРНа. По словам Тинга, ученым удалось зафиксировать ..
2013-04-4 2519 0 Научные открытия
0
Впервые Млечный Путь показывает детали миллиардов звёзд
Впервые, на изображении зафиксированном международной командой астрономов можно заметить более, чем один миллиард звёзд находящихся в «Млечном пути», сообщает «WordScience.org». Учёные создали цветную картину, объединяя изображения инфракрасного света, полученные с телескопов, расположенных в северном и южном полушариях. ..
2012-03-30 1967 0 Научные открытия
0
В таянии антарктического льда виноват теплый океан
Большая часть таяния льда в Антарктиде происходит в результате наличия теплой воды на окраинах континента.Ученые использовали спутниковый лазер для измерения истончения шельфовых ледников. В ходе анализа они обнаружили, что в сокращение шельфовых льдов «нельзя обвинять только повышенную температуру ..
2012-04-26 2005 0 Научные открытия
0