Химики вырастили цинковые снежинки в жидком галлии

Химики из Австралии и Новой Зеландии вырастили кристаллы разных металлов в среде жидкого галлия. Оказалось, что в этих условиях большинство металлов дают кристаллы, похожие на снежинки. Причем их форму можно контролировать, изменяя температуру и время кристаллизации. Исследование опубликовано в Science.

Снежинки — необычные кристаллы льда, которые отличаются своей симметрией. Зимой обычно кристаллизуются снежинки с шестью лучами, отходящими от центра кристалла. Группа симметрии шестилучевой снежинки такая же, как и обычного шестиугольника — D₆. Кристаллизация воды в виде снежинок такой симметрии связана с гексагональной кристаллической структурой самого льда. Его кристаллы построены из правильных шестигранных призм, каждая из которых образована тремя элементарными ячейками.

Сингония решеток большинства металлов кубическая (объемно- или гранецентрированная). Но некоторые металлы, как и лед, кристаллизуются в гексагональной сингонии. Однако получить большие монокристаллы металлов сложнее, чем монокристаллы льда. Обычно расплавленные образцы металлов при охлаждении образуют множество очень мелких кристаллов с большим количеством дефектов.

Но химики под руководством Николы Гастона (Nicola Gaston) из Оклендского университета решили попробовать вырастить подобные снежинкам кристаллы из цинка. Для этого они приготовили пятипроцентный раствор цинка в жидком галлии, нагрев смесь металлов до 350 градусов Цельсия. Затем раствор охладили до комнатной температуры, а выпавшие кристаллы попробовали отфильтровать в вакууме. Но из-за высокого поверхностного натяжения галлия, фильтрование провести не удалось — жидкий металл не проходил через поры фильтра.

Чтобы преодолеть проблему с фильтрованием, химики решили использовать электрокапиллярный эффект, характерный для галлия. Он заключается в том, что при приложении к жидкому галлию небольшого потенциала в несколько вольт, его поверхностное натяжение резко падает. Так, химики смешали полученную смесь с кристаллами цинка и одномолярный раствор гидроксида натрия, в который внесли электроды. При приложении потенциала в пять вольт поверхностное натяжение галлия упало, и фильтрование прошло успешно. Полученные кристаллы дополнительно промыли щелочным раствором, чтобы полностью избавиться от следов галлия на поверхности цинковых кристаллов.

Далее химики изучили структуру кристаллов с помощью сканирующей электронной микроскопии. Они выяснили, что в процессе охлаждения раствора образовались кристаллы цинка, похожие на снежинки. И чтобы дополнительно изучить возможности своего метода кристаллизации, ученые провели еще несколько экспериментов с цинком, варьируя температуру, давление и время кристаллизации, а также массовую долю цинка в исходном расплаве.

В результате химики получили цинковые снежинки с разными размерами и структурой лучей, отходящих от центра кристалла. При этом в экспериментах с другими металлами, например, никелем, серебром и марганцем, получить снежинкоподобные кристаллы не удалось.

Обычно монокристаллы при деформации необратимо разрушаются. Но недавно мы рассказывали о кристаллическом материале, деформированные кристаллы которого восстанавливаются при контакте с водой.