مجموعه‌ای از توپ‌های با اندازه‌های مختلف که در درون جعبه‌ای تکان خورده و بهم تنه می زنند، بعید است به شکل همزمان به شکل یک توده‌ی شسته رفته کنار هم جمع شوند. اما به تازگی یک تیم پژوهشی نشان داده‌اند که نانوذرات کروی معلق‌شده در یک مایع می‌توانند به شکل مرتبی در کنار هم قرار گیرند حتی وقتی ذرات گستره‌ی وسیعی از اندازه‌ها را داشته باشند. این تیم با مشاهده‌ی تشکیل بلورهای پیچیده که شامل ذرات با اندازه‌های مختلف هستند غافل‌گیر شده‌اند؛ نتیجه‌ای که نظریه‌پردازان برای مدل‌سازی چنان سیستم‌هایی به دنبال آن نبوده‌اند. محققان بر این باورند که بر اساس نتایج این پژوهش، روش جدیدی برای بلورین‌سازی با افزایش گوناگونی ساختارهای کریستالی ظاهر می شود.

ذراتی که در یک مایع معلق می‌شوند، می‌توانند به شکل خودبخودی به فرم یک بلور کلوئیدی بلورین شوند. این ساختارها بعنوان سیستم‌های مدلی هستند که به پژوهش‌گران در درک چگونگی تشکیل بلورهای واقعی کمک کرده و می­توان از آن­ها در ساخت سریع و ارزان ساختارهایی همچون بلورهای فوتونی (که ویژگی‌های اپتیکی مفیدی دارند) استفاده کرد. اگر این ذرات دقیقاً اندازه‌های یکسانی داشته باشند و همچون توپ‌های بوئلینگ اندرکنش کنند٬ فرآیند بلوری‌شدن سرراست است. چنان کلوئید‌هایی به شکل آرایه‌های لایه‌ای از کره‌ها خودآرایی می‌کنند، شبیه آنچه در بلورهای متشکل از اتم‌ها یا مولکول‌ها اتفاق می­افتد. اما با ایجاد تغییراتی در اندازه ی ذرات، همه چیز درهم برهم و آشفته می‌شود. برای ذراتی با قطر ۱۰ نانومتر انحرافی به اندازه‌ی ۰/۱ نانومتر برای مختل‌کردن بلورینگی کافی است.

نظریه‌پردازان در اصل پیش‌بینی کرده‌اند که مجموعه‌ای از ذرات که اندازه‌های گوناگون دارند قادرند خودآرایی کنند بشرط اینکه ابتدا ذرات به لحاظ اندازه از هم تفکیک شوند؛ فرآیندی که شکنش (fractionation) [1] نامیده می‌شود. در این سناریو ذرات آنقدر حول همدیگر تنه میخورند تا دقیقا فضای صحیح به لحاظ اندازه را بیابند؛ بلورهای چندگانه در مجاورت یکدیگر تشکیل می‌شوند که هریک از ذراتِ تقریبا هم‌اندازه تشکیل شده‌اند.

با این حال اجماع نظر بر این بوده که شکنش نمی‌تواند به شکل تجربی حاصل شود. غلظت پایین ذرات برای آن‌که بتوانند در طول فاصله‌های طولانی حرکت کرده و ذرات هم‌اندازه‌ی خودشان را بیایند ضروری است اما این غلظت برای تمام بلورها بسیار اندک است. بالابردن غلظت و پراکندگی به تشکیل یک جامد بی‌نظمی می‌انجامد قبل از آنکه ذرات بتوانند بحد کافی برای یافتن جایگاهشان مسیر طی کنند.

برای رفع این مشکل لوکاس گوئرینگ (Lucas Goehring) از موسسه‌ی دینامیک و سازمان ماکس پلانک در گوتینگنِ آلمان و همکارانش از ذرات بارداری استفاده کرده‌اند که از طریق نیروهای دافعه‌ی الکترواستاتیکی اندرکنش می‌کنند. این ذرات حضور دیگر ذرات را «حس» می‌کنند و مدت‌ها قبل از آنکه به شکل فیزیکی بهم بخورند همدیگر را پس می‌زنند. به بیان گوئرینگ این دافعه فضاهای خالی ایجاد می‌کند که «اتاق تکان‌خوردنی» برای تعداد زیادی از ذرات فراهم می‌کند تا سریعاً به شکل بلور مرتب شوند.

گوئرینگ و همکارانش آزمایش‌هایی را با استفاده از ذرات سیلیکای غوطه‌ور در مایع با قطرهایی از ۸ تا ۲۴ نانومتر یه انجام رسانده‌اند. توزیع این اندازه‌ها به اوج رسیده و معمول‌ترین قطر ۱۶ نانومتر و تعداد ذرات برای قطرهای بزرگ‌تر و کوچک‌تر از آن به شکل مخروطی کاهش می‌یابد. فاصله‌ی اندرکنش دافعه‌ی این ذرات چنان تنظیم شده که چند نانومتر بزرگ‌تر از قطر آن‌ها بوده است.

این تیم پژوهشی ساختار کلوئیدی را با استفاده از پراکندگی پرتوی ایکس زاویه‌ی کوچک سنجیده‌اند. برای غلظت‌های کم٬ داده‌های بدست آمده یک مایع نامنظم را پیشنهاد می‌دهند. وقتی حجم ذرات به ۱۹ درصد حجم کل افزایش می‌یابد الگوی پراکندگی به سمت بلور مکعبی مرکز حجمی (bcc) متشکل از تقریباً ذرات ۱۶ نانومتری منتقل می‌شود که با مابقی ذرات در یک فاز مایع هم‌زیستی دارند. در کسر ۲۲ درصدی از حجم٬ ردپای یک ساختار بلوری معروف به فاز لاوه ظاهر می‌شود. این فاز از واحدهایی شامل چهار ذره که با هشت ذره کوچک‌تر احاطه شده است ساخته می‌شود.

شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای نشان می‌دهد که بلورهای bcc ابتدا از فراوان‌ترین ذرات تشکیل می‌شوند که در این مورد تقریباٌ ۱۶ نانومتر است. سپس بیشترین اندازه‌های ذرات باقی‌مانده ذرات بزرگ‌تر و کوچک‌تر (در این مورد حدود ۱۴ و ۱۸ نانومتر) خوشه‌ای می‌شوند و ساختار بلور دوم از آن‌ها توسعه پیدا می‌کند.

بر اساس آن‌چه پژوهش‌گران ابراز داشته‌اند این سازوکار بلورینگی، بی‌نهایت قوی است. به گفته‌ی گوئرینگ: «ما مواد٬ اندازه‌ی ذرات و شدت‌های اندرکنشیِ مختلفی را امتحان کرده‌ایم. شکنش تقریباً پدیده‌ی شایعی است٬ اما فازهای ]بلوری[ می‌توانند مختلف باشند».

پیتر سولیش ( Peter Sollich) از کالج سلطنتی لندن٬ نظریه‌پردازی است که تاثیر همگنیِ اندازه‌ بر روی رفتار کلوئیدها را مورد مطالعه قرار داده است. به بیان وی: «این تشکیل خودبخودی از چنان ساختار بلوری پیچیده که در آن مکان‌های بلوری مختلف با ذرات «خودمنتخب» با اندازه‌های گوناگون اشغال می‌شوند قبلا دیده نشده است». به گفته‌ی او این پژوهش امکان طراحی سیستم‌های کلوئیدی را فراهم می‌کند که بتوانند به شکل خودآرا به فرم ساختارهای بلوری ویژه از مخلوطی از ذرات هستند. بلورهای رشدیابنده ذراتی از مخلوط را انتخاب می‌کنند که نیاز دارند و بقیه را دست نخورده باقی می‌گذارند. اما به بیان او هنوز کار زیادی برای انجام باقی مانده است٬ همچون پیش‌بینی ساختارهای بلوری که در هر مورد ظاهر می‌شود.

این پژوهش در مجله فیزیکال ریویو لترز منتشر شده اشت.

درباره‌ی نویسنده:

کاترین رایت (Katherine Wright) کمک‌ویراستار مجله‌ی فیزیک است.

منبع:

Complex Crystals Form from Heterogeneous Particles