Ülekantud tähenduses, kui põnev ja rakendusi lubav uurimisobjekt, kindlasti. Aga selgub, et võivad olla ka otseses mõttes. Nimelt avastasid USA Lawrence Berkeley National Laboratory uurijad, et germaaniumi nanokristallid (ca 2,5 nm läbimõõdus) kvartsklaasis on kuumutatavad pea 200 K üle germaaniumi tasakaalulise sulamistemperatuuri (1211 K), enne kui sulavad. Ja vastupidi – sula germaaniumi “nanotilkade” uuesti kristalliseerimiseks tuleb näidist jahutada enam kui 200 K alla tasakaalulise sulamis- (kristallisatsiooni-) temperatuuri. Füüsikud ütlevad, et nähtust iseloomustab suur temperatuurne hüsterees. Täpsemat teavet tulemuste kohta saab artiklist Q. Xu et al, Large melting point hysteresis of Ge nanocrystals embedded in SiO2, Phys. Rev. Lett. 97, 155701 (2006).
Mis on eelnevas siis uut ja üllatavat ja kuidas täheldatut seletada? Asjaolu, et paljusid vedelikke saab jahutada allpoole nende taskaalulist kristallisatsioonitemperatuuri (allajahutatud vedelikud), on tuntud juba ammu ja nn soojapakettides ka praktilist kasutust leidnud. Seda võimaldab asjaolu, et kristallisatsiooniks on esmalt vajalik nn kristallisatsioonitsentrite – mõnestsajast aatomist-molekulist koosnevate pisikristallide – teke. Kuniks need puuduvad, püsib aine jahutamisel vedelana. Ja mõnel juhul võib ka üldse mitte kristalliseeruda vaid muutuda edasisel jahutamisel klaasiks. Suuri tahkisekoguseid kuumutada üle nende tasakaalulise sulamistemperatuuri eriti ei õnnestu – ülekuumutatud tahised on ülimalt ebastabiilsed. Väikeste ainekoguste (nt
 |
|
Germaaniumi nanokristallide elektrondifraktsioon: jälgitavad ringid vasakpoolsel ja keskmisel pildil. Sulamisel see kaob (parempoolne pilt). Foto: Berkley Lab |
needsamad nanokristallid) korral olukord muutub – oluliseks muutub ainetüki pindkihis olevate aatomite panus. See viib vabade nanokristallide korral sulamistemperatuuri alanemisele. Mingi teise aine tahkes maatriksis asuvate osakeste korral võib aga efekt olla ka vastupidine: on teada, et nii on see näiteks plii nanokristallide korral alumiiniumis, mille sulamistemperatuur on kõrgem, kui vabadel osakestel. Mis on viidatud töös erinevat? Kui alumiiniumi korral on tegemist korrpärase (kristalse) ainega, milles moodustunud õõnsuse pinnastruktuur arvatakse “lukustavat” pliiosakese pindkihi aatomid, mis ei lase nanokristallil sulada, siis LBNL töös on tegemist amorfse ümbrusega, mis võiks just korrapäratu vedelstruktuuri teket soodustada. Ja kui viidatud nanoskoopilised pinnaefektid vabade osakeste korral viivad nii sulamis- kui ka kristallisatsioonitemperatuuri alanemisele, siis antud töös on üllatav nende suur erinevus – hüsterees (sarnast efekti on siiski varema jälgitud tinaosakeste jaoks süsiniknanostruktuurides). Ge-SiO2 lahutuspinnaga seotud efektide järjekindel arvestamine on lubanud autoritel eksperimentaalseid tähelepanekuid ka kvantitatiivselt seletada.
Huvilistele veel lisaks, kuidas uuritud nanokristalle saadi ja mõõdeti. Kasutatud kvartsklaasi maatriks kasvatati räni pinnale selle oksüdeerimisega ja implanteeriti germaaniumi ioonidega. Näidise kuumutamisel ioonid difundeerusid ja neist moodustusid nanokristallid. Nende uurimiseks kasutati mitmeid kaasaegseid katsemeetodeid: Raman-spektroskoopiat, aatomjõu-mikroskoopiat ja germaaniumi kristallstruktuuri sedastamiseks elektronide difraktsiooni – meetodid, mis ka nanostruktuuridega tegelevatel Tartu füüsikutel käepärast.
Allikas: http://www.physorg.com/news79623590.html
Koostas: Jaak Kikas