Исследователи под руководством Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) провели эксперимент, который поставил под сомнение классическую теорию нуклеации — процесса, лежащего в основе фазовых переходов, таких как замерзание жидкостей. На протяжении почти ста лет научное сообщество опиралось на эту теорию, описывающую возникновение упорядоченных областей — зародышей — внутри неупорядоченного вещества. Ключевое уравнение этой модели подтверждалось тысячами опытов, однако наблюдение за формированием кристаллов на атомном уровне показало иную картину.
Ученые изучили наночастицы из сложных сплавов с разной степенью атомной упорядоченности, используя метод заморозки кристаллических зародышей на различных стадиях их появления. Это позволило зафиксировать процесс, который в обычных условиях протекает слишком быстро для прямого наблюдения. Полученные трехмерные карты продемонстрировали, что переход от упорядоченного кристалла к окружающему неупорядоченному материалу происходит не резко, а постепенно, вопреки предсказаниям классической модели. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Materials, сообщает SciTechDaily.
Как отметил ведущий автор исследования, профессор физики и астрономии Цзяньвэй Мяо, кристаллы не были однородными с четкой границей, отделяющей их от хаотично расположенных атомов. Вместо этого наблюдался градиент: ядро каждого зародыша обладало максимальной кристалличностью, которая снижалась по направлению к границе. Для объяснения увиденного специалисты разработали более сложную модель — градиентные пути нуклеации, которая не отменяет классическую теорию, а расширяет ее, рассматривая ее как частный случай нового уравнения.
В ходе эксперимента наночастицы из высоко- и среднеэнтропийных сплавов, сочетающих несколько металлических элементов в примерно равных пропорциях, нагревали, а затем резко охлаждали с температуры более 1650 градусов Цельсия до комнатной за сотые доли секунды. Быстрое охлаждение инициировало образование кристаллов, оставляя зародыши на разных этапах развития. С помощью атомной электронной томографии исследователи реконструировали каждую наночастицу атом за атомом, а статистический анализ позволил оценить степень упорядоченности различных областей. Всего в базе данных оказалось более восьми тысяч зародышей размером от нескольких атомов до тысячи и более.
Анализ показал, что во всех случаях атомный порядок был максимален в центре и постепенно убывал к поверхности, причем с ростом зародыша упорядоченность его ядра увеличивалась. Эти градиенты изменили представления об энергетическом барьере — минимальной энергии, необходимой для формирования зародыша. Классическая теория описывает его как четко выраженный порог, который необходимо преодолеть, тогда как экспериментальные данные указывают на более плавный процесс с несколькими промежуточными стадиями. По словам Мяо, природа использует более эффективную стратегию, подобную лестнице, позволяющей преодолеть стену поэтапно, а не единым рывком.
Кроме того, исследователи обнаружили, что большинство соседних кристаллов еще до слияния имели одинаковую ориентацию, что облегчало их последующее объединение. Понимание процессов нуклеации, которые играют роль в самых разных системах — от образования облачных капель до промышленного производства, — может повлиять на многие области науки и технологий, включая климатическое моделирование, фармацевтику и электронику. Ученые полагают, что их работа изменит подход к изучению фазовых переходов и в перспективе приведет к пересмотру соответствующих разделов в учебниках.