Quando gli scienziati parlano di cristalli, spesso intendono cristalli singoli. Queste strutture altamente ordinate sono costituite da atomi, molecole o ioni disposti secondo uno schema tridimensionale ripetitivo. Poiché i loro elementi costitutivi ripetuti sono regolari e impilati ordinatamente uno sopra l’altro, i singoli cristalli tendono ad essere forti, uniformi e facili da caratterizzare.
Ma la natura raramente fornisce cristalli singoli perfetti. Invece, i materiali spesso si presentano come aggregati policristallini, un miscuglio di cristalli singoli più piccoli e orientati in modo casuale.
Questa disparità è importante perché le proprietà di un materiale dipendono fortemente da come i suoi atomi o molecole si uniscono. Ad esempio, le prestazioni delle celle solari e dei LED in silicio dipendono dalla dimensione e dall’orientamento dei minuscoli cristalli singoli del materiale.
Ora i ricercatori, in un articolo pubblicato sulla rivista ACS Nano, descrivono come hanno filmato la crescita dei cristalli. Il team, guidato da Yassar Dahman dell'Università della Virginia, ha utilizzato un metodo di microscopia noto come microscopia a forza atomica per osservare come minuscoli cristalli si nucleano su un substrato di silicio.
I microscopi a forza atomica utilizzano un cantilever affilato, simile a quello di un microscopio a sonda a scansione, per scansionare la superficie. Mentre il cantilever si sposta su un campione, la sua posizione verticale viene regolata secondo necessità per mantenere una forza costante tra la punta e la superficie. I dati risultanti possono quindi essere utilizzati per determinare come varia la topografia della superficie durante la scansione.
Il gruppo ha impostato il proprio strumento per scansionare un'area leggermente più grande di 2 micrometri su un lato, ogni 2 millisecondi, un processo che è continuato per più di mezz'ora. Il video dei ricercatori mostra come si formano isole cristalline su scala nanometrica sul substrato. Il video rivela anche che le isole crescono rapidamente, si fondono tra loro e si muovono sulla superficie mentre il materiale si riorganizza, formando infine cristalli più grandi e perfetti.
"Puoi vedere una piccola isola nucleare, che inizierà a crescere e alla fine colpirà un'altra isola e si fonderà con essa", dice Dahman.
Dahman osserva che la scala temporale del film è ordini di grandezza più veloce di quella di altre tecniche utilizzate per immaginare il movimento degli atomi sulle superfici, come la microscopia a effetto tunnel. "Ciò che mostriamo qui è molto diverso da ciò che vediamo con queste tecniche, che mostrano immagini statiche perché sondano la superficie molto lentamente", afferma. "Stiamo vedendo un film, invece di un'immagine fissa."
La tecnica rivela anche che le isole inizialmente hanno strutture diverse, ma poi la struttura più stabile prende il sopravvento man mano che i cristalli diventano più grandi, dice Dahman. "La struttura più stabile è quella con l'energia superficiale inferiore", spiega.
Dahman afferma che il team spera di utilizzare il nuovo metodo di microscopia per studiare come crescono i diversi materiali in tempo reale, per saperne di più sul motivo per cui i materiali adottano strutture cristalline specifiche e per progettare materiali migliori per varie applicazioni.
Matthew J. Highland dell’Università di Chicago, che non è stato coinvolto nella ricerca, afferma che il lavoro è “molto intrigante” ed “eccitante”.
"La capacità di osservare l'evoluzione della crescita dei cristalli in situ su scala nanometrica è di grande valore per questo settore", afferma. E sebbene i ricercatori abbiano ripreso le immagini dei cristalli che crescono sul silicio, Highland osserva che “questa tecnica è ugualmente applicabile a una varietà di altri sistemi di materiali, inclusi semiconduttori organici, ossidi metallici e persino biomolecole”.
