Лазерное плавление помогло сделать коллоидные кристаллиты в виде смайликов

Американские физики предложили новую методику управления формой и размером упорядоченных областей в коллоидных кристаллах, основанную на локальном лазерном плавлении. С помощью такого подхода в двумерных коллоидных пленках можно получить кристаллиты заданной формы, например в виде сердечка или смайлика, пишут ученые в Physical Review Letters.

Как правило, твердый кристаллический материал представляет собой не единый монокристалл, в котором все атомы образуют единую кристаллическую решетку, а набор из большого количества небольших кристаллических областей — кристаллитов или зерен, разделенных между собой межзеренными границами. Внутри каждой из таких областей существует упорядоченная кристаллическая структура, но между собой кристаллический порядок двух областей оказывается не связан. Размер и форма отдельных кристаллитов довольно сильно влияет на свойства материала и обычно определяется способом его получения, но контролировать обычно удается только их средний размер, не управляя при этом формой отдельных зерен. Стоит отметить, что подобные структуры характерны не только для кристаллов, составленных из атомов, но и для других упорядоченных систем, например, коллоидных кристаллов, которые состоят из монодисперсных коллоидных частиц.

Американские физики из Колледжа Харви Мадд под руководством Шерон Гербод (Sharon J. Gerbode) обнаружили, что форму и размер кристаллитов в двумерных коллоидных кристаллах можно регулировать с помощью локального плавления кристалла лазерным пучком. Для экспериментального подтверждения предложенного подхода ученые использовали коллоидный кристалл из сферических частиц оксида кремния размером 1,2 микрона. Эти частицы погружались в диметилсульфоксид и при осаждении формировали упорядоченные плоские массивы толщиной в одну сферу. За счет того, что коэффициенты преломления растворителя и оксида кремния отличаются, к частицам можно прикладывать внешнюю силу с помощью оптического пинцета и таким образом приводить их в движение даже внутри плотной кристаллической структуры. В данной работе физики использовали лазерный пучок с длиной волны 1064 нанометра и мощностью 800 милливатт.

При облучении коллоидного кристалла лазерный пучок расталкивает частицы друг от друга и приводит к локальному «плавлению» кристалла. После завершения облучения система рекристаллизуется и возвращает себе упорядоченную структуру. При этом, если производить облучение не в середине области кристалличности, а около межзеренной границы, то за счет локального плавления с последующей рекристаллизацией эту границу можно двигать по кристаллу, меняя таким образом размер и форму зерна. С помощью предложенного подхода физики получили кристаллиты в виде буквы С, сердца, головы кошки и смайлика.

Для количественного объяснения такого эффекта ученые использовали модель статистической механики, описав флуктуации расстояний между частицами во время лазерного плавления и при восстановлении структуры. Предложенная модель довольно точно описала полученные экспериментальные данные и позволила предсказывать поведение частиц при рекристаллизации в зависимости от точки воздействия на кристалл.

Физики отмечают, что подобные процессы можно наблюдать и в трехмерных коллоидных кристаллах, однако их значительно труднее изучать из-за сложной пространственной структуры. При этом, поскольку предложенная ими методика управления формой кристаллитов основана исключительно на фундаментальной статистической механике, то она может использоваться для изучения механизмов движения и взаимодействия дефектов, как в коллоидных, так и в атомных кристаллах. Природа изучаемых дефектов может довольно сильно варьироваться: это могут быть как примесные атомы или точечные вакансии, так и протяженные дислокации или границы зерен.

Для исследования механизмов взаимодействия дефектов в кристаллах сейчас все активнее используются не только экспериментальные методы, но и компьютерное моделирование. Так, современные компьютерные системы позволяют проводить вычисления для достаточно больших систем, с помощью которых, например, удалось детально исследовать механизм движения дислокаций и точечных дефектов при пластических деформациях аморфных и кристаллических твердых тел. 

Александр Дубов