Исследование влияния различных факторов на рост кристаллов из раствора с помощью атомно-силовой микроскопии

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В целях кристаллогенетической реконструкции процессов роста кристаллов минералов и установления фундаментальных закономерностей роста в наномасштабе, проведено моделирование влияния различных факторов на характеристики послойного роста кристаллов из раствора с помощью атомно-силовой микроскопии. В эксперименте по росту в области царапины, с помощью оригинального метода обработки данных АСМ показано, что диаграммы средней скорости представляют собой картину процесса самоорганизации — устойчивых автоколебаний скорости роста. Сравнение результатов с данными по росту аналогичных холмиков без какого-либо воздействия, позволяют сделать вывод о том, что гигантские флуктуации и явление одновременного роста и растворения на локальных участках вызваны именно наноиндентированием, когда напряжение от специально созданных дефектов сильно повлияло на эволюцию поверхности. В АСМ-эксперименте по захвату твердых инородных частиц растущим кристаллом на наноуровне зарегистрирован процесс формирования винтовой дислокации, инициированный частицей примеси. Для теоретического объяснения процесса предложен трехстадийный механизм, который заключается в релаксации напряжений вокруг примесной частицы путем формирования одной или нескольких дислокаций еще до ее зарастания на первой стадии, присоединения к ним краевых дислокаций в момент зарастания на второй стадии и появлением результирующей дислокации после полного зарастания частицы на третьей стадии. При изучении роста в проточной ячейке, установлен механизм переориентирования холмика роста по направлению потока в наномасштабе, а также зарегистрировано явление смены доминирующего холмика. Полученные картины растворения в протоке, являются яркой демонстрацией принципа Кюри, утверждающего сохранение тех элементов симметрии объекта, которые совпадают с симметрией окружающей среды.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. Н. Пискунова

Институт геологии им. академика Н. П. Юшкина ФИЦ Коми НЦ УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: piskunova@geo.komisc.ru
Россия, 167982, Сыктывкар, ул. Первомайская, 54

Список литературы

  1. Асхабов А. М., Маркова Н. Н. (с 1996 г. — Пискунова Н. Н.) (1997) Влияние гидродинамики на кинетические параметры роста кристаллов из раствора. ДАН. 353(4), 462–464.
  2. Пискунова Н. Н. (2011) Кристаллы из лекарственных растворов как модельные объекты для изучения элементарных процессов роста и растворения. Минералогические перспективы: Материалы межд. минерал. семинара с межд. участием, 17–20 мая 2011 г. Сыктывкар: Геопринт, 132–134.
  3. Пискунова Н. Н., Никулова Н. Ю., Крючкова Л. Ю., Исаенко С. И. (2016)Наноморфология зерен пирита из туфогравелитов хребта Сабля. Современные проблемы теоретической, экспериментальной и прикладной минералогии: Материалы III межд. мин. семинара с межд. участием, 17–20 мая 2016 г. Сыктывкар: Геопринт, 51–53.
  4. Пискунова Н. Н., Сокерина Н. В., Николаев А. Г., Исаенко С. И., Попов М. П. (2018) Наноморфология включений в кристаллах фенакита Уральских Изумрудных копей. Современные проблемы теоретической, экспериментальной и прикладной минералогии: Материалы IV мин. семинара с межд. участием, 22–24 мая 2018 г. Сыктывкар: Геопринт, 81–82.
  5. Пискунова Н. Н., Кряжев А. А. (2021) Нано- и микроморфологические доказательства коллоидной структуры содержимого включений кольцевых силикатных кристаллов. Вестник геонаук. 8(320), 16–26.
  6. Пригожин И., Кондепуди Д. (2002) Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур. М.: Мир, 461 с.
  7. Рашкович Л. Н., Петрова Е. В., Шустин О. А., Черневич Т. Г. (2003) Формирование дислокационной спирали на грани (010) кристалла бифталата калия. Физика твердого тела. 45(2), 378.
  8. Сокерина Н. В., Пискунова Н. Н. (2011) Условия роста кристаллов кварца на месторождении Желанное, приполярный Урал (по данным изучения флюидных и твердых включений). Геохимия. (2), 192–201.
  9. Sokerina N. V., Piskunova N. N. (2011) Growth Condition of Quartz Crystals at the Zhelannoe Deposit in the Nether Polar Urals: Evidence from Fluid and Solid Inclusions. Geochem. Int. 49(2), 181–190.
  10. Сокерина Н. В., Шанина С. Н., Зыкин Н. Н., Пискунова Н. Н., Исаенко С. И. (2013) Условия формирование золоторудной минерализации на проявлении Синильга, Приполярный Урал (по данным изучения флюидных включений). ЗРМО. (6), 89–105.
  11. Трейвус Е. Б., Пискунова Н. Н., В. И. Силаев. (2011) Метакристаллы пирита с Приполярного Урала с признаками пластических деформаций. Материалы межд. минерал. семинара с межд. участием, 17–20 мая 2011 г. Сыктывкар: Геопринт, 150–153.
  12. Трейвус Е. Б., Пискунова Н. Н., Симакова Ю. С. (2011) Скульптура кубических граней кристаллов пирита из Испании и возможная причина ее возникновения. Известия Коми научного центра УрО РАН. (8), 60–64.
  13. Чернов A. A., (1975) Устойчивость плоского фронта при анизотропной поверхностной кинетике. В кн. Рост кристаллов. Т. 11. Ереван: изд. Ереванского ун-та, 221–230.
  14. Чернов А. А., Гиваргизов Е. И., Багдасаров Х. С., Кузнецов В. А., Демьянец Л. Н., Лобачев А. Н. (1980) Современная кристаллография. Т. 3. М.: Наука, 407с.
  15. Capellades G., Bonsu J. O., Myerson A. S. (2022) Impurity Incorporation in Solution Crystallization: Diagnosis, Prevention, and Control. Cryst. Eng. Comm. 24, 1989–2001.
  16. Davis K. J., Nealson K. H., Lüttge A. (2007) Calcite and dolomite dissolution rates in the context of microbe–mineral surface interactions. Geobiology. 5(2), 191–205.
  17. Elhadj S., Chernov A. A., De Yoreo J. (2008) Solvent-mediated Repair and Patterning of Surfaces by AFM. Nanotechnol. 19, 105304 (1–9).
  18. Heiman R. B. (1975) Auflösung von Kristallen. Theorie und technische Anwendung. New York: Springer-Verlag, 45–65.
  19. Land T. A., Martin T. L., Potapenko S., Palmore G. T., De Yoreo J. J. (1999) Recovery of Surfaces from Impurity Poisoning During Crystal Growth. Nature. 399(3), 442–445.
  20. Lee-Thorp J.P., Shtukenberg A. G., Kohn R. V. (2017) Effect of Step Anisotropy on Crystal Growth Inhibition by Immobile Impurity Stoppers. Cryst. Growth Des. 17(10), 5474–5487.
  21. Lucre`ce H., Nicoud A., Myerson S. (2019) The Influence of Impurities and Additives on Crystallization. In: Handbook of Industrial Crystallization. (Eds.: Myerson, A.S.; Erdemir, D.; Lee, A.Y.). Cambridge: Cambridge University Press. 4, 115–135.
  22. Lutjes N. R., Zhou S., Antoja-Lleonart J., Noheda B., Ocelík V. (2021) Spherulitic and rotational crystal growth of Quartz thin films. Sci. Rep. 11, 14888.
  23. Nakada T., Sazaki G., Miyashita S., Durbin S. D., Komatsu H. (1999) Direct AFM Observations of Impurity Effects on a Lysozyme Crystal. J. Cryst. Growth. 196, 503–510.
  24. Poornachary S. K., Chow P. S., Tan R. B.H. (2008) Impurity Effects on the Growth of Molecular Crystals: Experiments and Modeling. Adv. Powder Technol. 19, 459–473.
  25. Rusli I. T., Schrader G. L., Larson M. A. (1989) Raman spectroscopic study of NaNO3 solution system — solute clustering in supersaturated solutions. J. Cryst. Growth. 97(2), 345–351.
  26. Silaev V. I., Kokin A. V., Kiseleva D. V., Piskunova N. N., Lutoev V. P. (2013) New Potentially Industrial Type of Indium Sulfide-Manganese Ore. In: Indium. Properties, Technological Applications and Health Issues (Eds.: Hsaio G. Woo, Huang Tsai Choi). New York: Nova Science Publishers, 261–272.
  27. Teng H., Dove P., Orme C., De Yoreo J. (1998) Thermodynamics of Calcite Growth: Baseline for Understanding Biomineral Formation. Science. 282, 724–727.
  28. Zareeipolgardani B., Piednoir A., Colombani J. (2019) Tuning biotic and abiotic calcite growth by stress. Cryst. Growth Des. 19(10), 5923–5928.
  29. Zhong X., Shtukenberg A. G., Hueckel T., Kahr B., Ward M. D. (2018) Screw Dislocation Generation by Inclusions in Molecular Crystals. Cryst. Growth Des. 18(1), 318–323.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. (а) — следы растворения на грани (111) алабандина (м. Высокогорное, Якутия), стимулированного дефектами, в том числе твердыми включениями. (б) — АСМ-рельеф стенки газово-жидкого пузырька (край показан стрелками) на полированном разрезе высокотемпературного кварца (рудопроявление Синильга, Приполярный Урал). Внутри видны микрокристаллы предположительно эпигенетических включений. Масштабные линейки — 5 мкм.

Скачать (252KB)
Метаданные
3. Рис. 2. АСМ-изображение спиральных холмиков на внутренних стенках газово-жидких включений кристаллов: (а) — фенакита, (б) — аметиста, (в) — кварца.

Скачать (572KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Рельеф растворения на грани (120) топаза (месторождение Шерловогорское, Забайкалье), предположительное направление потока флюида показано стрелкой внизу. Масштабный отрезок — 10 мкм.

Скачать (445KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Игла АСМ, воздействуя с малой силой по нормали к поверхности, вызывает возникновение дефектов типа 1 (а) и появляется царапина (показана стрелками на среднем снимке (б)). В нижней части рисунка проекция структуры диоксидина на грань (100): сдвиговые напряжения от движения иглы вдоль поверхности в некоторой области I, ответственны за возникновение дефектов типа 2 (краевые дислокации и междоузельные дефекты) в области II на значительном расстоянии от места воздействия, что приводит к потере морфологической устойчивости на большом участке ((б), нижний снимок). Масштабные отрезки — 2 мкм.

Скачать (738KB)
Метаданные
6. Рис. 5. (а) — последовательные снимки растворения на царапине в слегка недосыщенном растворе. На снимках указано время от начала эксперимента. Масштабные отрезки — 5 мкм. (б) — послойный рост поверхности до и после нанесения царапин на вершине дислокационного холмика. Высота ступеней равна диаметру молекулы диоксидина. На снимках указано время от начала экспериментов. Масштабные отрезки — 2 мкм.

Скачать (402KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Результат статистической обработки данных АСМ: (а) — скорость тангенциального роста и ее флуктуации (показаны как доверительный интервал) для холмика в эксперименте без воздействия; (б) — гигантские флуктуации скорости в эксперименте с царапинами; (в) — колебательный характер средней тангенциальной скорости на левой и на правой царапинах. Каждая точка графиков построена на основе обработки около 500–1100 значений скорости.

Скачать (323KB)
Метаданные
8. Рис. 7. (а) — АСМ-изображения процесса врастания инородных частиц в грань (100) диоксидина. На каждом отмечено время, прошедшее от первого снимка. Видно, что твердые примеси полностью не зарастают, над ними долгое время сохраняются отверстия. Через два часа точно на координате одной из частиц возник спиральный холмик со ступенями высотой 0.8 нм. Масштабные отрезки — 5 мкм. (б) — скорости и их флуктуации в эксперименте с примесями. Каждая точка графиков является результатом обработки около 900 значений скорости. На врезке — оптическое изображение кристаллов диоксидина с примесью шерла в проходящем свете.

Скачать (579KB)
Метаданные
9. Рис. 8. (а) — поверхность хлорида натрия, растущего в потоке раствора (направление потока показано стрелкой, на каждом изображении отмечено время, прошедшее от первого снимка, масштабные отрезки — 2 мкм); (б) — устойчивость и неустойчивость грани в потоке по Чернову.

Скачать (242KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Смена доминирующего холмика роста на грани (101) дигидрофосфата калия в направленном потоке раствора. Направление потока показано стрелкой. (а) — расчеты кинетического коэффициента β для выделенного направления в начальный и конечный моменты наблюдения, (б) — увеличение скорости роста лидирующего холмика с 2 до 6 нм/с.

Скачать (273KB)
Метаданные
11. Рис. 10. АСМ-изображения растворения грани (100) кристалла KDP в потоке раствора. (а) — самый крупный ростовой холмик, наиболее активен и при растворении, (б) — выклинивание микрокристаллов в потоке. Направление потока показано стрелкой. На каждом изображении отмечено время, прошедшее от первого снимка. Масштабные отрезки — 3 мкм.

Скачать (296KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024