Малко зимни чудеса са толкова очарователни, колкото снежинките. Сега екип изследователи открива, че подобни красиви структури се случват с изработените от тях нанокристали от злато, мед и желязо.
Уникалният вид на снежинките може да се обясни научно с множеството фактори и процеси, протичащи по време на растежа им. Водните молекули се втвърдяват и слепват в ледения въздух. Докато се събират, те образуват сложни шестоъгълни образувания, често твърде малки за невъоръжено око. Няма две еднакви снежинки, защото бързо променящите се температури и влажност влияят на всяко малко кристалче.
Но когато става въпрос за микрокристали, генерирани от сложни сили, снежинките са само върхът на айсберга.
В ново проучване на катедрата по приложна физика и материалознание на Университета на Северна Аризона, група изследователи откриват, че подобни структури се случват с изработените от тях нанокристали от злато, мед и желязо. Когато металните частици се слепват по време на светкавично бърза химическа реакция, те образуват шестоъгълни конструкции, които силно наподобяват естествени снежинки – феномен, който има невероятни последици за бъдещето на нанотехнологиите.
Джоелин Агией-Менса (Joelin Agyei-Mensah), докторант по приложна физика и първи автор на статията, ръководи двугодишното проучване като част от своите докторски изследвания в рамките на програмата по материалознание.
Статията на екипа е публикувана като водеща история в списание Small.
"За първи път демонстрираме, че феноменът на поява, наблюдаван в снежинките, играе ключова роля в нанотехнологиите“, заявява професор Мигел Хосе Якаман (Miguel José Yacamán) от Университета "Риджънтс“. "Като въведем физиката на сложните системи, можем да помогнем на хората да разберат и контролират синтеза на наноматериали и да развием областта към по-широки приложения.“
Кредит: Northern Arizona University
Предизвикателства при контролирането на растежа на наноматериалите
В не чак толкова малкия свят на съвременните нанотехнологии, едно от най-големите предизвикателства, пред които са изправени учените в индустрията, е надеждният контрол върху начина, по който се образуват наноматериалите. Растежът на наночастиците зависи от вихри от термодинамични и кинетични фактори, които се обединяват в процеси, почти невъзможни за предвиждане или възпроизвеждане.
Изследователите често се опитват да преодолеят този проблем, изграждайки материалите бавно и при високи температури. Този метод обаче не е идеален за наночастиците и може да доведе до сливане на малките частици в нежелани форми.
Агией-Менса и нейните съавтори използват нов подход за синтез на наночастици в това изследване, който, от друга страна, се характеризира с изключително бързи реакции.
Те нагряват малък силициев чип до 280°C, преди да поставят металните си соли и да добавят химични агенти, предназначени да стимулират растежа. За по-малко от 10 секунди металните соли образуват кристали с дължина между 1 нанометър и няколко микрометра. Бързата реакция позволява на учените да наблюдават всички етапи на растежа на наночастиците за миг и да запишат резултатите си.
Емерджентност и неговата роля в нанотехнологиите
В крайна сметка екипът е създал колекция от напълно уникални мултиметални структури. По-малките кристали демонстрират прости форми, съответстващи на предишни изследвания, но по-големите частици стават по-сложни и проявяват шестоъгълна симетрия, вдлъбнати повърхности и кухи вътрешности. Общите форми се повтарят, но всяка частица има различен метален състав.
Каква точно е причината за тези странни псевдоснежинки? Хосе Якаман обяснява, че това е научната концепция за емерджентност.
Терминът емерджентност идва от английски език emergent "възникващ, неочаквано появяващ се" и се използва в теорията на системите. Той описва случаи, при които сложни системи притежават свойства, които отделните им компоненти нямат. Уникалното поведение се появява само когато частите се обединят, за да образуват непредвидимо цяло. Тази теория може да се използва за разбиране на явления в много различни области, включително биология, физика, химия и дори поезия.
Образуването на сложни симетрични и фрактални модели в снежинките илюстрира емерджентност на физическа система. Кредит: Wikimedia Commons
"Важен пример за емерджентност е човешкото размножаване", обяснява Хосе Якаман. "Когато ембрионът започне да расте, по време на самосглобяването протичат много химични реакции и физични явления, а резултатът е разнообразие. Няма двама еднакви човека, точно както снежинките, защото самосглобяването може да следва различни пътища."
Авторите твърдят, че както металните им кристали, така и снежинките се управляват от една и съща динамика на появата им. Наночастиците се групират заедно или агрегират, за да образуват по-големи суперструктури. В резултат на това всяко от тези метални чудеса е напълно различно, точно както техните съседи на Северния полюс.
Доказването на този факт отваря вратата към безброй приложения на синтеза на мултиметални наночастици. Разбирането на емерджънтността би могло да помогне на учените да имат по-добър контрол върху наноматериалите, които произвеждат, лекувайки заболяване, обхващащо цялата област, и подкрепяйки безпрецедентни научни пробиви.
"Повечето природни явления са сложни и могат да станат хаотични, като например времето или фондовата борса, където дългосрочните прогнози са много трудни", посочва Хосе Якаман. "Въпреки това, сложните системи водят до състояние, което не е непременно хаотично. Възможността ни за прогнозиране е много ограничена, но можем да получим приблизителна представа за резултата."
Справка: Joelin A. Agyei‐Mensah et al, De Nive Quinquangula: Pentagonal Snowflake Metal Nanocrystals as an Example of Emergence Phenomenon in Nanotechnology Complex Systems, Small (2025). DOI: 10.1002/smll.202506539
Източник: Snowflake-like emergence phenomenon discovered in metal nanocrystals, Northern Arizona University
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
"Ад" на Данте описва удар на астероид 500 години преди съвременната наука
10-годишно момиче открива рядък мексикански аксолотъл. Какво знаем за тези животни
Хората с тъмни черти на характера са естествено склонни към лидерски роли, установява ново проучване
Хората с тъмни черти на характера са естествено склонни към лидерски роли, установява ново проучване