Μια νέα έρευνα υπό την ηγεσία του UCLA, η οποία δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Materials, προτείνει μια σημαντική αναθεώρηση της κλασικής θεωρίας πυρηνοποίησης, η οποία διαμορφώθηκε πριν από περίπου έναν αιώνα.
Χρησιμοποιώντας προηγμένες τεχνικές απεικόνισης σε νανοσωματίδια κραμάτων υψηλής και μέσης εντροπίας, οι ερευνητές κατάφεραν να χαρτογραφήσουν τη δομή των κρυσταλλικών πυρήνων άτομο προς άτομο.
UCLA: Η ανακάλυψη της διαβάθμισης
Σύμφωνα με την παραδοσιακή θεωρία, οι κρυσταλλικοί πυρήνες σχηματίζονται με σαφή και απότομα όρια ανάμεσα στα τακτοποιημένα και τα ατάκτως ερριμμένα άτομα. Ωστόσο, η ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τον καθηγητή Φυσικής και Αστρονομίας Jianwei «John» Miao, παρατήρησε μια εντελώς διαφορετική εικόνα.
Οι παρατηρήσεις έδειξαν ότι δεν υπάρχει αιχμηρό όριο, αλλά μια σταδιακή διαβάθμιση. Κάθε πυρήνας διαθέτει έναν κεντρικό πυρήνα υψηλής κρυσταλλικότητας, ο οποίος γίνεται σταδιακά πιο ακανόνιστος καθώς πλησιάζει προς τα εξωτερικά του όρια.
Το μοντέλο διαβαθμισμένων μονοπατιών πυρηνοποίησης
Για την ερμηνεία αυτών των ευρημάτων, οι επιστήμονες εισήγαγαν το μοντέλο διαβαθμισμένων μονοπατιών πυρηνοποίησης (gradient nucleation pathways model). Το νέο αυτό μοντέλο γενικεύει την κλασική θεωρία, επαναπροσδιορίζοντας τον τρόπο με τον οποίο η ύλη ξεπερνά το ενεργειακό φράγμα για να αλλάξει φάση.
Αντί για ένα απότομο εμπόδιο, η φύση χρησιμοποιεί μια σειρά από ενδιάμεσες καταστάσεις χαμηλότερης ενέργειας.
Καθώς οι πυρήνες μεγαλώνουν, οι κεντρικοί τους πυρήνες αποκτούν όλο και πιο οργανωμένη δομή.
Παρατηρήθηκε ότι πολλοί γειτονικοί πυρήνες ευθυγραμμίζονται στον ίδιο προσανατολισμό πριν καν συγχωνευθούν, διευκολύνοντας τη μεταστοιχείωση.
Σημασία για τη μηχανική και την τεχνολογία
Η μελέτη βασίστηκε στην εξέταση περισσότερων από 8.000 πυρήνων μέσω ατομικής ηλεκτρονικής τομογραφίας. Επειδή η φάση της πυρηνοποίησης αποτελεί θεμελιώδη διαδικασία που συναντάται από τον σχηματισμό σταγόνων στα σύννεφα μέχρι την παραγωγή ημιαγωγών και φαρμάκων, η νέα αυτή κατανόηση αναμένεται να συμβάλει στον σχεδιασμό ανθεκτικότερων υλικών και αποδοτικότερων καταλυτών.