Физики из Франции и Германии обнаружили образование коллоидных кристаллов в «запрещенных условиях». Ученые обнаружили, что даже при наличии в растворе частиц с широким диапазоном размеров все равно возможен рост упорядоченных кристаллов. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics.
В отличие от традиционных кристаллов (к примеру, воды или кварца), состоящих из отдельных молекул, в роли составляющих коллоидных кристаллов выступают крупные частицы, размеры которых могут доходить до сотен нанометров. Такие объекты возникают при медленном осаждении коллоидных частиц из растворов. Как правило, если размеры твердых частиц, взвешенных в растворе немного отличаются — например, если диаметр частиц колеблется от 9,9 до 10,1 нанометров, — то рост таких кристаллов сильно затруднен или невозможен.
Существует ряд теоретических предположений, что в достаточно разбавленных растворах частицы могут успевать найти для себя удобное место. Тогда в коллоидном растворе будут по очереди возникать отдельные кристаллы, в каждом из которых будут лишь частицы примерно одинакового диаметра. Долгое время, тем не менее, считалось, что это не достижимо на практике.
В новой работе авторы попытались увеличить силы отталкивания между коллоидными частицами для того, чтобы те могли находить для себя удобные положения уже после осаждения в будущий кристалл. Для этого ученые добились того, чтобы поверхность всех частиц в экспериментах была отрицательно заряженной. Из-за кулоновского отталкивания в кристалле образуются области свободного пространства, увеличивающие внутреннюю подвижность. Заряды были подобраны таким образом, чтобы отталкивание происходило на расстояниях на несколько нанометров больше, чем диаметр частиц.
Физики использовали в экспериментах частицы оксида кремния с диаметром от 8 до 24 нанометров, причем основную фракцию составляли 16-нанометровые сферы. Ученые получили водные коллоидные растворы с различными концентрациями оксида кремния и затем исследовали упорядочение в них с помощью рентгеновской дифракции. Этот метод позволяет сказать, есть упорядочение в образце или нет по тому, как на нем рассеивается рентгеновское излучение.
Растворы, в которых доля объемная частиц не превышала 16 процентов, демонстрировали обычное для жидкостей поведение. С ростом концентрации до 19 процентов ученые обнаружили пики (кольца) в картине рентгеновского рассеяния, соответствующие кристаллам из 16-нанометровых частиц, окруженных жидкостью с другими неупорядоченными наносферами.
При объемной доле оксида кремния в 22 процента авторы заметили образование новой упорядоченной фазы, состоявшей из сфер диаметром 14 и 18 нанометров. В этих объектах четыре крупных сферы окружены восемью малыми. Физики отмечают, что при попытках изменить материал частиц, их размеры и заряды на поверхности наблюдалось примерно одинаковое поведение.
По словам Питера Соллича из Кингс-Колледжа, ранее столь сложная самоорганизация частиц не наблюдалась. Сферы словно бы сами выбирают, какие позиции в растущем кристалле им необходимо занять в зависимости от их размера. Авторы работы надеются, что обнаруженный эффект поможет разработать новые способы сборки сложных коллоидных кристаллов «снизу вверх».
Осаждение коллоидных кристаллов используется для синтеза фотонных кристаллов — материалов, являющихся своеобразными аналогами полупроводников по отношению к свету. Ключевая особенность фотонных кристаллов — их период сопоставим с длиной волны видимого света, благодаря чему возникает ряд необычных свойств, например, запрещенные фотонные зоны.
Владимир Королёв