Quando coltiviamo cristalli, gli atomi prima si raggruppano in piccoli gruppi, un processo chiamato nucleazione. Ma capire esattamente come questo ordinamento atomico emerga dal caos di atomi che si muovono casualmente è sfuggito a lungo agli scienziati.

La teoria della nucleazione classica suggerisce che i cristalli formino un atomo alla volta, aumentando costantemente il livello di ordine. Studi moderni hanno anche osservato un processo di nucleazione in due fasi, dove un temporaneo, si forma prima la struttura ad alta energia, che poi si trasforma in un cristallo stabile. Ma secondo un team di ricerca internazionale co-guidato dal Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia, la vera storia è ancora più complicata.

Le loro scoperte, recentemente riportato sulla rivista Scienza , rivelano che invece di raggrupparsi uno per uno o fare un'unica transizione irreversibile, gli atomi d'oro invece si auto-organizzano, cadere a pezzi, riorganizzarsi, e poi riorganizzarsi più volte prima di fondare una stalla, cristallo ordinato. Utilizzando un microscopio elettronico avanzato, i ricercatori hanno assistito a questo rapido, processo di nucleazione reversibile per la prima volta. Il loro lavoro fornisce informazioni tangibili sulle prime fasi di molti processi di crescita come la deposizione di film sottili e la formazione di nanoparticelle.

"Poiché gli scienziati cercano di controllare la materia su scale di lunghezza inferiore per produrre nuovi materiali e dispositivi, questo studio ci aiuta a capire esattamente come si formano alcuni cristalli, " disse Pietro Ercio, uno degli autori principali dello studio e uno scienziato dello staff della Molecular Foundry del Berkeley Lab.

In linea con la comprensione convenzionale degli scienziati, una volta che i cristalli nello studio hanno raggiunto una certa dimensione, non tornarono più ai disordinati, stato instabile. Ha vinto Chul Lee, uno dei professori che guidano il progetto, lo descrive così:se immaginiamo ogni atomo come un mattoncino Lego, poi invece di costruire una casa un mattone alla volta, si scopre che i mattoni si incastrano ripetutamente e si rompono di nuovo finché non sono finalmente abbastanza forti da stare insieme. Una volta poste le basi, però, è possibile aggiungere più mattoni senza interrompere la struttura generale.

Le strutture instabili erano visibili solo a causa della velocità dei rivelatori di nuova concezione sul TEAM I, uno dei microscopi elettronici più potenti al mondo. Un team di esperti interni ha guidato gli esperimenti presso il National Center for Electron Microscopy nella Molecular Foundry di Berkeley Lab. Utilizzando il microscopio TEAM I, ricercatori hanno catturato in tempo reale, immagini a risoluzione atomica a velocità fino a 625 fotogrammi al secondo, che è eccezionalmente veloce per la microcopia elettronica e circa 100 volte più veloce degli studi precedenti. I ricercatori hanno osservato singoli atomi d'oro mentre si formavano in cristalli, si scompose in singoli atomi, e poi riformato più e più volte in diverse configurazioni cristalline prima di stabilizzarsi definitivamente.

"Osservazioni più lente mancherebbero questo molto velocemente, processo reversibile e vedere solo una sfocatura invece delle transizioni, il che spiega perché questo comportamento di nucleazione non è mai stato visto prima, " disse Ercio.

La ragione di questo fenomeno reversibile è che la formazione dei cristalli è un processo esotermico, cioè rilascia energia. Infatti, la stessa energia rilasciata quando gli atomi si attaccano ai minuscoli nuclei può aumentare la "temperatura" locale e fondere il cristallo. In questo modo, il processo iniziale di formazione dei cristalli lavora contro se stesso, oscillare tra ordine e disordine molte volte prima di costruire un nucleo abbastanza stabile da resistere al calore. Il team di ricerca ha convalidato questa interpretazione delle proprie osservazioni sperimentali eseguendo calcoli sulle reazioni di legame tra un ipotetico atomo d'oro e un nanocristallo.

Ora, gli scienziati stanno sviluppando rivelatori ancora più veloci che potrebbero essere utilizzati per visualizzare il processo a velocità più elevate. Questo potrebbe aiutarli a capire se ci sono più caratteristiche della nucleazione nascoste nel caos atomico. Il team spera anche di individuare transizioni simili in diversi sistemi atomici per determinare se questa scoperta riflette un processo generale di nucleazione.

Uno degli autori principali dello studio, Parco Jungwon, sintetizzato il lavoro:"Da un punto di vista scientifico, abbiamo scoperto un nuovo principio del processo di nucleazione dei cristalli, e lo abbiamo dimostrato sperimentalmente."