Лазерное плавление помогло сделать коллоидные кристаллиты в виде смайликов

C. E. Cash et al./ Physical Review Letters, 2018
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.
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.
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