კრისტალები — იქნება ეს შაქარში, სუფრის მარილში, თოვლის ფანტელებსა თუ ალმასებში — ყოველთვის მარტივი ან პროგნოზირებადი გზით არ იზრდება. ახალ კვლევაში ნიუ-იორკის უნივერსიტეტის მეცნიერებმა ამორფული მასის ორგანიზებულ სტრუქტურად გარდაქმნის პროცესი აღწერეს.

მეცნიერთა გუნდი კრისტალების ჩამოყალიბების პროცესს იკვლევდა. ერთ-ერთმა მათგანმა, რომელიც ამჟამად დოქტორანტია, უჩვეულო ფორმის, წაგრძელებული ღეროს მსგავსი კრისტალი აღმოაჩინა, რომელიც მანამდე იდენტიფიცირებული არ ყოფილა. ამ კრისტალს ზანგენიტი დაარქვეს.

კრისტალი მყარი სხეულია. იგი განმეორებადი კანონზომიერებებით განლაგებული ნაწილაკებისგან შედგება. აქამდე მიიჩნეოდა, რომ თვითორგანიზების ეს პროცესი, რომელსაც მკვლევრები "ქაოსიდან წესრიგის ორკესტრირებას" ეძახიან, მარტივ და კლასიკურ ზრდის მოდელს მიყვებოდა. ამისდა მიუხედავად, მეცნიერები უკვე ხვდებიან, რომ ზრდა უფრო რთული და მრავალფეროვანი მექანიზმებითაც შეიძლება მიმდინარეობდეს.

კრისტალების ჩამოყალიბების შესასწავლად ზოგი მკვლევარი პატარა სფეროებისგან — კოლოიდური ნაწილაკებისგან — შემდგარ კრისტალებს იყენებს. ეს ნაწილაკები პატარაა, მაგრამ სხვა კრისტალების შემადგენელი ატომების ზომებს გაცილებით აღემატება.

"კოლოიდური ნაწილაკების შესწავლის უპირატესობა იმაშია, რომ ამ გზით კრისტალიზაციის პროცესზე დაკვირვება ერთეული ნაწილაკის დონეზე შეგვიძლია — ატომების შემთხვევაში ეს, როგორც წესი, ძალიან რთულია, რადგან ისინი პატარა და სწრაფია. კოლოიდების შესწავლისას კი კრისტალების ჩამოყალიბებაზე მიკროსკოპით დაკვირვება სრულიად შესაძლებელია", — განმარტავს სტეფანო საკანა, ნიუ-იორკის უნივერსიტეტის ქიმიის პროფესორი.

კოლოიდური კრისტალების ჩამოყალიბების პროცესის უკეთ გასაგებად მკვლევრებმა კონკრეტული ტიპის ექსპერიმენტები ჩაატარეს. ისინი ზრდის სხვადასხვა პირობებში დამუხტული კოლოიდური ნაწილაკების ქცევას დააკვირდნენ — მარილიანი წყლის სუსპენზიიდან ბოლომდე ჩამოყალიბებულ კრისტალებად გარდაქმნის პროცესში. ქიმიის ასისტენტ-პროფესორის, გლენ ჰოკის, ხელმძღვანელობით გუნდმა ასევე ათასობით კომპიუტერული სიმულაცია შექმნა. მათი მიზანი კრისტალების ზრდის მოდელირება და ექსპერიმენტის შედეგების უკეთ ახსნა იყო.

მკვლევრებმა დაადგინეს, რომ კოლოიდური კრისტალები ორსაფეხურიანი პროცესის შედეგად ყალიბდება: თავიდან ნაწილაკების ამორფული მასა კონდენსირებას განიცდის, შემდეგ კი მოწესრიგებულ კრისტალურ სტრუქტურად გარდაიქმნება. ამ პროცესში კი კრისტალთა მრავალფეროვან ტიპებსა და ფორმებს ვიღებთ.

ამ ექსპერიმენტების დროს, დოქტორანტმა შიხაო წანგმა ღეროს ფორმის კრისტალი იპოვა. მან მსგავსი კრისტალი პირველად ნახა. ერთი შეხედვით, ის აქამდე აღმოჩენილ კრისტალს ჰგავდა. ყურადღებით დაკვირვების შემდეგ კი მკვლევარმა შენიშნა, რომ ნაწილაკთა კომბინაცია განსხვავებული იყო, კრისტალის წვეროებში კი ღრუ არხები იყო. ამ უცხო სტრუქტურის ბუნებაში გავრცელებულ ათასობით კრისტალთან შედარების შემდეგ დადგინდა, რომ ეს სტრუქტურა მართლაც უნიკალური იყო.

მკვლევრებმა ჰოკის კომპიუტერული მოდელირებით იდენტური კრისტალის სიმულაცია შექმნეს, რათა ეს სტრუქტურა უკეთ შეესწავლათ.

"ეს ძალიან დამაბნეველი იყო, რადგან, როგორც წესი, კრისტალები მკვრივია. ეს კონკრეტული სტრუქტურა კი მთელს სიგრძეზე ცარიელი არხებით იყო სავსე", — აღნიშნა ჰოკიმ.

ზანგენიტის აღმოჩენა ღრუ და დაბალი სიმკვრივის მქონე კრისტალების პოვნისა და შესწავლის მეტ პოტენციალს ქმნის. ზოგადად კი, კრისტალების ჩამოყალიბების პროცესის უკეთ გაგებას ბევრი პრაქტიკული გამოყენებაც აქვს — მათ შორის ფოტონური ზონათაშორისი ჭრილის მასალებში, რომლებიც ლაზერების დამზადების საფუძველია. აგრეთვე ოპტიკურ-ბოჭკოვან კაბელებში, მზის პანელებსა და უამრავ სხვა ტექნოლოგიაში, რომელიც სინათლის გადაცემასა და შეგროვებასთანაა დაკავშირებული.

კვლევა გამოცემაში Nature გამოქვეყნდა.