Od cukru po diamenty – większość z nas postrzega kryształy jako uporządkowane, gęste i piękne struktury powstające według precyzyjnych, atomowych wzorców. Takie rozumienie wspierała przez dziesięciolecia tzw. klasyczna teoria krystalizacji. Tymczasem naukowcy z New York University (NYU), kierowani przez prof. Stefano Sacannę, odkryli, że rzeczywistość może być znacznie bardziej złożona.
Czytaj też: Fizycy stworzyli nowy rodzaj kryształu czasu. Niesamowite odkrycie zmieni świat technologii
Badania zespołu skupiały się na procesie powstawania kryształów z cząstek koloidalnych. W przeciwieństwie do atomów, koloidy są wystarczająco duże, by móc je obserwować pod mikroskopem optycznym. To pozwoliło naukowcom uchwycić w czasie rzeczywistym, jak nieuporządkowana masa cząstek zamienia się w elegancką, uporządkowaną formę krystaliczną. Jak się okazało – nie zawsze drogą liniową.
Zangenit to kryształ, jakiego jeszcze nie było
Zespół NYU odkrył, że krystalizacja zachodzi dwuetapowo. Najpierw cząstki łączą się w amorficzne “grudki” – nieuporządkowane, miękkie skupiska przypominające żele. Następnie w ich wnętrzu cząstki stopniowo reorganizują się, tworząc regularne, krystaliczne ściany i struktury. Komputerowe symulacje prowadzone przez dr Glenna Hocky’ego, eksperta z Simons Center for Computational Physical Chemistry, potwierdziły ten nietypowy proces.
Czytaj też: Czwarty wymiar w krysztale. Tę formę materii uważano za niemożliwą
To właśnie w trakcie obserwacji tego etapu doktorant Shihao Zang zauważył coś wyjątkowego. Kryształ, który na pierwszy rzut oka przypominał inne znane formy, w rzeczywistości skrywał unikalną cechę: pusty kanał biegnący przez całą jego długość. Taka struktura nie tylko odbiegała od znanych wzorców, ale okazała się zupełnie nowym typem kryształu.
Zang porównał nową strukturę z tysiącami znanych naturalnych i syntetycznych kryształów – bez skutku. Dopiero modelowanie komputerowe pozwoliło odtworzyć tę samą pustą formę w warunkach wirtualnych, potwierdzając jej unikalność. Kryształ zyskał roboczą nazwę L3S4, ale w laboratorium wszyscy zaczęli mówić o nim po prostu “zangenit”.
Shihao Zang mówi:
Studiujemy koloidalne kryształy, żeby modelować świat atomów, ale nie spodziewaliśmy się, że odkryjemy strukturę, która nie istnieje w naturze.
Pusta, rurkowata struktura zangenitu nie jest tylko ciekawostką geometryczną. Jak podkreślają badacze, kanały wewnątrz kryształu przypominają porowate przestrzenie znane z materiałów wykorzystywanych do filtracji, magazynowania gazów, czy jako rusztowania do chemicznych reakcji katalitycznych. Tego typu struktury mogą znaleźć zastosowanie w materiałach filtracyjnych nowej generacji, a także w systemach optycznych, takich jak fotoniczne kryształy używane w laserach, światłowodach i panelach słonecznych.
Odkrycie zangenitu, opisane w Nature Communications, pokazuje, że nawet w tak dobrze przebadanej dziedzinie jak krystalografia, wciąż czekają na nas niespodzianki. Głębsze zrozumienie nieklasycznych mechanizmów wzrostu kryształów może doprowadzić do projektowania materiałów o zupełnie nowych właściwościach – lżejszych, bardziej porowatych, funkcjonalnych w mikroskali.
Prof. Stefano Sacanna z NYU mówi:
Dotąd sądziliśmy, że natrafienie na zupełnie nową strukturę krystaliczną będzie rzadkością. Teraz widzimy, że dzięki synergii między eksperymentem a symulacją możemy odkrywać zupełnie nowe światy materii.
Zangenit to dopiero początek. Naukowcy z NYU już planują dalsze eksperymenty z kontrolowaniem warunków wzrostu, by celowo tworzyć nowe, niespotykane wcześniej struktury. Niewykluczone, że dzięki temu odkryciu nie tylko zmienimy podręczniki krystalografii, ale też otworzymy drzwi do nowych rozwiązań technologicznych, które dziś trudno jeszcze sobie wyobrazić.