Вращение магнитного поля помогло разобраться в формировании коллоидных кристаллов

Американские физики изучили процессы кристаллизации в двумерных коллоидных системах при различной силе взаимодействия между парамагнитными частицами. Для управления взаимодействием авторы работы использовали вращающееся однородное магнитное поле. С помощью предложенного эксперимента удалось определить поверхностное натяжение и изучить кинетику перекристаллизации таких систем, пишут ученые в Physical Review Materials.

В отличие от обычных кристаллов, состоящих из атомов, ионов или молекул, коллоидные кристаллы представляют собой упорядоченные трехмерные и двумерные системы, составленные из нанометровых или микронных частиц, как правило сферических. В таких системах могут возникать необычные оптические, химические или электронные свойства: например, подобным образом устроены фотонные кристаллы, в которых период сопоставим с длиной волны видимого света и может возникать фотонная запрещенная зона. При этом в отличие от обычных кристаллов, механизмы кристаллизации коллоидных кристаллов изучены не так хорошо, и как в кристалле будут взаимодействовать домены или отдельные частицы при изменении температуры или типе взаимодействия между частицами, до сих исследовано не полностью.

Чтобы понять, каким образом меняется кинетика кристаллизации двумерных коллоидных кристаллов, американские физики из Университета Райса под руководством Сибани Лизы Бизвал (Sibani Lisa Biswal) предложили наблюдать за кластерами из заряженных парамагнитных полимерных микрошариков, помещенных во вращающееся однородное магнитное поле. Диаметр каждого микрошарика в проведенных экспериментах составлял 1,1 микрометра, величина магнитного поля — от 8 до 12 гауссов, а частота вращения — 20 герц. Размеры исследованных кластеров составляли от 300 до 1500 частиц.

Величина магнитного поля в таком эксперименте фактически определяет соотношение тепловой энергии к энергии, ответственной за упорядочивание системы (в данном случае, магнитной). Оказалось, что при помещении во вращающееся поля суспензии микрочастиц для минимизации поверхностной энергии собираются в кластеры круглой формы. При этом в зависимости от величины магнитного поля для такой системы характерна разная степень упорядочения. Так, при относительно слабых полях частицы в кластерах ведут себя подобно жидкости, а при больших — образуют упорядоченную гексагональную кристаллическую решетку.

Аналогичные особенности характерны и для взаимодействия двух кластеров между собой. При небольших полях они сливаются друг с другом как жидкие капли, а при больших — сначала образуют двухдоменный кристалл, в котором со временем происходит перекристаллизация, и в течение примерно 10 минут образуется единственный упорядоченный двумерный кристалл.

При этом если в случае более слабых взаимодействий (или более высоких температур) форма кластера определяется поверхностным натяжением, то в случае образования кристаллической структуры, поверхностная энергия значительно ниже, и форма частицы связана с процессом кристаллизации и парным взаимодействием между частицами.

Авторы работы отмечают, что подобное поведение системы хорошо описывается с помощью ангармонического потенциала взаимодействия между частицами, величину которого можно регулировать, изменяя внешнее магнитное поле. Поэтому в будущем такие системы можно использовать в качестве модели для изучения систем с дальнодействующими силами притяжения. В частности, на таких системах можно исследовать эффекты, возникающие в двумерных коллоидных системах на поверхностях, границах раздела фаз и междоменных стенках.

В двумерных коллоидных кристаллах, составленных из немагнитных частиц, управлять процессами кристаллизации можно дргуими способами. Например, чтобы замедлить сборку кристалла, увеличить подвижность частиц и получить более равновесные формы коллоидных кристаллов, ученые используют электростатическое отталкивание. А для управления поведением дефектов, границ доменных стенок и формой кристаллитов можно применять, например, лазерное плавление.

Александр Дубов