چرا فلزات کریستال‌هایی با اشکال متفاوت تولید می‌کنند؟

دانشمندان در نیوزلند و استرالیا در حال انجام آزمایش‌هایی در مقیاس اتمی با فلزات مختلف محلول در حلال مایع گالیم متوجه چیز غیرعادی ای شدند.

به گزارش تکناک،در این آزمایش ها آنها انواع مختلف فلز از جمله روی را به شکل‌های مختلف دانه های برف فلزی ریز ایجاد کردند.

نیکولا گاستون از دانشگاه اوکلند، و یکی از نویسندگان این مقاله می‌گوید: برخلاف رویکردهای بالا به پایین برای تشکیل نانوساختار که با برش مواد ایجاد می شود، این رویکرد از پایین به بالا و متکی به خودآرایی اتم‌ها است. طبیعت نیز اینگونه نانوذرات را می‌سازد و نسبت به روش‌های از بالا به پایین، ضایعات کمتری دارد و بسیار دقیق‌تر است.

دانه های برف بهترین نمونه از رشد کریستال است، که میان عامه مردم شناخته شده است. تحت شرایط خاص، بخار آب می تواند مستقیماً به کریستال های یخی ریز متراکم شود و معمولاً شکل یک منشور شش ضلعی را تشکیل می دهد. اما این کریستال قطرات آب سرد بیشتری را نیز در هوا جذب می کند. شاخه ها از گوشه تک کریستال ها جوانه می زنند تا دانه های برف را با اشکال پیچیده تر تشکیل دهند.

شکل دانه‌های برف و کریستال‌های برف مدت‌هاست که دانشمندان را مجذوب خود کرده است، مانند یوهانس کپلر، که در سال 1611 مدتی از رصد ستاره‌های خود فاصله گرفت و مقاله کوتاهی با عنوان «درباره دانه‌های برف شش گوشه» منتشر کرد. او شیفته این واقعیت بود که به نظر می رسد کریستال های برف همیشه تقارن شش وجهی از خود نشان می دهند.

حدود 20 سال بعد، رنه دکارت پس از مشاهده دانه‌های برف 12 وجهی بسیار کمیاب‌تر، شگفت زده شد. این اشکال کاملاً در شش ضلعی‌ها شکل گرفته‌اند به صورتی که شش ضلع آن‌ها چنان صاف و شش زاویه آنها چنان مساوی بودند که ساختن چنین چیزی برای انسان غیرممکن می نمود. او به این فکر کرد که چگونه ممکن است چنین شکل کاملاً متقارنی ایجاد شده باشد، و در نهایت به توصیف نسبتاً دقیقی از چرخه آب رسید، و افزود  که آنها مجبور بودند خود را به گونه ای تنظیم کنند که هر یک توسط شش وجه دیگر در یک صفحه احاطه شوند. با پیروی از نظم عادی طبیعت.

Micrographia رابرت هوک که در سال 1665 منتشر شد، حاوی چند طرح از دانه های برف بود که او زیر میکروسکوپ خود مشاهده کرد. اما تا دهه 1950، زمانی که یک فیزیکدان هسته‌ای ژاپنی به نام اوکیچیرو ناکایا، همه انواع اصلی بلورهای برف را شناسایی و فهرست‌بندی کرد، هیچ‌کس مطالعه‌ای واقعاً سیستماتیک در مورد کریستال‌های برف انجام نداد. ناکایا اولین کسی بود که کریستال های مصنوعی برف را در آزمایشگاه پرورش داد. او در سال 1954 کتابی را در مورد یافته های خود به نام کریستال های برف، طبیعی و مصنوعی منتشر کرد.

به لطف کار پیشگام ناکایا، ما می دانیم که شرایط جوی خاص، مانند دما و رطوبت، می تواند بر شکل دانه های برف تأثیر بگذارد. به عنوان مثال اشکال ستاره مانند در دمای -2 درجه سانتیگراد و -15 درجه سانتیگراد تشکیل می شوند، در حالی که ستونها در -5 درجه سانتیگراد و دوباره در حدود -30 درجه سانتیگراد تشکیل می شوند. و هر چه رطوبت بیشتر باشد، شکل پیچیده تر است. اگر رطوبت به خصوص زیاد باشد، حتی می توانند به سوزن های بلند یا صفحات نازک بزرگ تبدیل شوند.

کنت لیبرشت، فیزیکدان دانشگاه کالتک، بیش از دو دهه است که به مطالعه و عکاسی از شکل گیری دانه های برف می پردازد. و مانند ناکایا، او نیز دانه‌های برف خود را در آزمایشگاه ایجاد می‌کند و با دقت از یک قلم مو کوچک برای انتقال ساختارهای ظریف به یک اسلاید شیشه‌ای استفاده می‌کند و با یک دوربین دیجیتال نصب شده بر روی یک میکروسکوپ با وضوح بالا عکس می‌گیرد. او انواع بسیاری از کریستال های برف را در تمام این سال ها مستند کرده است، که در یک تک نگاشت 540 صفحه ای ثبت شده است و به عنوان تور نیروی فیزیک دانه های برف نامیده می شود.

لیبرشت اخیراً، در سال 2019، مدلی از فرآیندهای اتمی در حال کار به نام مدل نیمه تجربی توسعه داد تا توضیح دهد چرا دو نوع اصلی دانه‌های برف وجود دارد.

این الگو ها شامل ستاره تخت نمادین، با 6 یا 12 نقطه، و یک ستون، که گاهی اوقات با کلاه های صاف به هم فشرده می شوند و گاهی شبیه پیچ و مهره های یک فروشگاه ابزار فروشی هستند، می باشد. لیبرشت می خواست دقیقاً بررسی کند که با تغییر دما چه چیزی تغییر می کند. مدل او شامل پدیده ای به نام انتشار مولکولی انرژی محور است.

یک کریستال نازک و مسطح (چه بشقاب مانند و چه ستاره مانند) زمانی تشکیل می شود که لبه ها سریعتر از دو صفحه کریستال به مواد تبدیل شوند.کریستال در حال رشد به سمت بیرون پخش می شود. با این حال، زمانی که نماهای آن سریع‌تر از لبه‌هایش رشد می‌کنند، کریستال بلندتر می‌شود و یک ستون توخالی یا میله تشکیل می‌دهد. بر اساس مدل لیبرشت، بخار آب ابتدا در گوشه‌های کریستال می‌نشیند، سپس روی سطح یا به لبه کریستال یا روی آن پخش می‌شود و باعث می‌شود که کریستال به ترتیب به سمت بیرون یا بالا رشد کند. این که کدام یک از این فرآیندها با اثر متقابل اثرات سطحی و ناپایداری های مختلف پیروز می شود، بیشتر به دما بستگی دارد.

گاستون و همکارانش در آخرین کار تحقیقاتی شان، اشکال مشابه دانه های برف یخ را به فلزات گسترش دادند.آنها نمونه هایی از نیکل، مس، روی، قلع، پلاتین، نقره و آلومینیوم را در گالیم حل کردند. گالیوم در دمای بالاتر از دمای اتاق به مایع تبدیل می شود و در نتیجه به عنوان یک حلال مایع عالی برای آزمایش ها در نظر گرفته می شود. هنگامی که همه چیز سرد شد، کریستال های فلزی تشکیل شدند اما گالیم مایع باقی مانده است.

آن‌ها توانستند کریستال‌های فلزی را با کاهش کشش سطحی حلال گالیوم که از طریق ترکیب مدولاسیون الکترکاپیلاری و فیلتراسیون خلاء به دست می‌آید استخراج کنند و مورفولوژی‌های مختلف هر یک از کریستال های فلزی را با دقت ثبت کردند.

سپس شبیه‌سازی‌هایی از دینامیک مولکولی انجام دادند تا مشخص کنند چرا فلزات مختلف کریستال‌هایی با شکل‌های متفاوت تولید می‌کنند. آنها دریافتند که همه چیز به برهمکنش بین ساختار اتمی فلزات و گالیم مایع مربوط می شود. گاستون می‌گوید: آنچه ما یاد می‌گیریم این است که ساختار گالیم مایع بسیار مهم است. نتایج این تحقیق بدیع  است زیرا ما معمولاً مایعات را فاقد ساختار یا ساختار تصادفی می‌دانیم.