Японские ученые разгадали таинственный механизм роста кристаллических усов

Механизм, лежащий в основе быстрого роста ультратонких нанопроводов — «усов» в органических соединениях, обнаружили ученые Токийского столичного университета, 25 июня сообщает сайт новостей науки EurekAlert со ссылкой на пресс-службу университета.

Материалы исследования представлены в статье «Рост нитевидных кристаллов в органических жидкостях и выбор морфологии кристаллов», опубликованной в журнале Scientific Reports.

В статье авторы отмечают, что кристаллические материалы составляют основу большинства электронных устройств, что делает важным разработку новых видов кристаллов. Электронные состояния и физические характеристики кристаллов определяются не только микроскопической кристаллической структурой, но и их макроскопической морфологией.

Примером этого является монокристаллический «ус»: эти «усы» представляют собой одиночные, бездефектные нити. Кристаллические усы можно увидеть, например, в металлических жидкостях цинка и олова, в фуллеренах (аллотропах углерода с молекулой в виде замкнутого многогранника) и даже в органических вязких жидкостях.

Известно, что такие «усы» обладают высокой прочностью на растяжение. Хотя кристаллические «усы» могут быть полезны для некоторых применений, их спонтанный рост может приводить к повреждению изоляции электронного оборудования.

Чтобы получить контроль над морфологией кристаллов, необходимо понять механизм, с помощью которого они образуются. Команда в составе профессора Рея Куриты, доцента Мари Тани и Такуми Ясимы исследовала рост нитевидных кристаллов в вязких органических жидкостях — ароматическом углеводороде о-терфениле и салоле —типичных органических соединениях, которые демонстрируют кристаллы «усов», быстрый рост тонких нитей из кристаллического материала при охлаждении.

Ученые обнаружили, что нитевидные кристаллы растут по необычному динамическому пути: вместо того, чтобы молекулы в жидкости просто осаждались на растущий фронт раздела сред, как при нормальном росте кристаллов, они переходили в газ внутри пузырька, прежде чем прикрепиться к кончику образующейся нити, что сильно отличается от стандартной картины кристаллизации в жидкостях. Это привело к беспрецедентно быстрому росту, который также можно было воспроизвести внутри тонких стеклянных капилляров для более контролируемого роста нанопроволок.

Исследуя процесс образования пузырьков, ученые обнаружили, что большая разница в плотности между кристаллом и жидкостью этих веществ играла важную роль в образовании «усов».

Так, эксперименты с жидкостями, у которых не было такой большой разницы в плотностях, не привели к росту «усов». Исследователи пришли к выводу, что кристаллический фронт создает большие неоднородности плотностей, что в конечном итоге приводит к кавитации с образованием пузырьков газа, которые в дальнейшем и приводят к образованию «усов».

Команда научилась контролировать выбор способа роста кристаллов — нитевидных или граненых — путем индуцирования или подавления образования пузырьков, что достигалось с помощью следовых примесей, подавляющих и образование пузырьков и рост «усов».

Возможность настройки и понимание физики процесса, которые продемонстрировала работа команды, дает новые подходы к выращиванию нановолокон для технологических применений, а также различные стратегии защиты электроники и батарей от потенциально опасных коротких замыканий, вызванных ростом кристаллических «усов».