Науковці відкрили новий тип кристалу з унікальними порожнистими каналами

Група науковців з Нью-Йоркського університету здійснила неочікуване відкриття під час дослідження процесу формування кристалів. Вони виявили новий тип кристалічної структури, яка не має аналогів серед відомих природних кристалів.

Кристали є твердими матеріалами, що складаються з частинок, упорядкованих у повторювані структури. Донедавна вважалося, що процес їхнього формування відбувається за передбачуваним класичним зразком росту. Проте дослідники встановили, що кристали можуть розвиватися складнішими шляхами.

Для вивчення процесу кристалізації науковці використовували кристали, утворені з малих сфер, які називають колоїдними частинками. Ці частинки значно більші за атоми, що входять до складу звичайних кристалів, що робить їх зручними для спостереження.

«Перевага вивчення колоїдних частинок полягає в тому, що ми можемо спостерігати процеси кристалізації на рівні окремих частинок, що дуже складно зробити з атомами через їхні малі розміри та швидкість руху», — пояснює професор Стефано Саканна з Нью-Йоркського університету. «З колоїдами ми можемо спостерігати формування кристалів безпосередньо під мікроскопом».

Щоб краще зрозуміти процес формування колоїдних кристалів, дослідницька група провела серію експериментів, ретельно спостерігаючи за поведінкою заряджених колоїдних частинок у різних умовах росту під час їхнього переходу від суспензій у солоній воді до повністю сформованих кристалів. Паралельно вони провели тисячі комп'ютерних симуляцій для моделювання росту кристалів та пояснення експериментальних спостережень.

Дослідники встановили, що колоїдні кристали формуються у два етапи: спочатку утворюються аморфні скупчення частинок, які потім перетворюються на впорядковані кристалічні структури, що призводить до появи різноманітних типів і форм кристалів.

Під час цих експериментів аспірант Шихао Занг натрапив на кристал стрижнеподібної форми, який не вдалося ідентифікувати. На перший погляд він нагадував кристал, раніше відкритий у лабораторії, але при детальнішому вивченні виявилося, що комбінація частинок була іншою, а на кінчиках кристала містилися порожнисті канали.

Занг порівняв невідому структуру з понад тисячею кристалів, знайдених у природі, але не зміг знайти відповідності. Звернувшись до комп'ютерного моделювання, дослідники змоделювали точно такий самий кристал, що дозволило їм детальніше вивчити його видовжену порожнисту форму.

«Це було загадково, оскільки зазвичай кристали щільні, а цей мав порожні канали, що проходили вздовж усього кристала», — зазначив доктор Глен Хокі з Нью-Йоркського університету.

«Завдяки синергії експериментів та симуляцій ми зрозуміли, що ця кристалічна структура ніколи раніше не спостерігалася», — додав професор Саканна.

Новий кристал отримав офіційну назву L3S4 відповідно до його складу, але в лабораторії його неформально називають «зангеніт» на честь Занга, який його відкрив.

«Ми вивчаємо колоїдні кристали, щоб імітувати реальний світ атомних кристалів, але ніколи не думали, що відкриємо кристал, якого не можна знайти в реальному світі», — зазначив Занг.

Відкриття зангеніту створює можливості для дослідження застосування порожнистих кристалів з низькою щільністю та може прокласти шлях до виявлення додаткових нових кристалічних структур.

«Канали всередині зангеніту аналогічні особливостям інших матеріалів, які використовуються для фільтрації або утримання речовин всередині них», — пояснив доктор Хокі.

«Раніше ми вважали, що спостереження нової кристалічної структури буде рідкісним явищем, але тепер ми можемо відкрити додаткові нові структури, які ще не були охарактеризовані», — підсумував професор Саканна.

Результати дослідження опубліковано в науковому журналі Nature Communications.