Lass es schneien: Wissenschaftler stellen metallische Schneeflocken aus Nanopartikeln her

Vergrößern / SEM-Bild einer selbstorganisierten Schneeflocke im Nanomaßstab aus gelöstem Zink in flüssigem Galliumlösungsmittel. Waipapa Taumata Rau/Universität Auckland

Es ist selten Zeit, über jede interessante Wissenschaftsgeschichte zu schreiben, die uns begegnet. Deshalb veröffentlichen wir auch dieses Jahr wieder eine besondere Reihe von Beiträgen zu den Zwölf Weihnachtstagen, in denen eine Wissenschaftsgeschichte hervorgehoben wird, die 2022 durchs Raster gefallen ist, jeden Tag vom 25. Dezember bis zum 5. Januar. Heute: Wissenschaftler aus Neuseeland und Australien haben winzige metallische Schneeflocken geschaffen.

Wissenschaftler in Neuseeland und Australien führten Experimente im atomaren Maßstab mit verschiedenen Metallen durch, die in einem flüssigen Galliumlösungsmittel gelöst waren, als sie etwas Ungewöhnliches bemerkten: verschiedene Arten von Metallen, die sich selbst zu verschiedenen Kristallformen anordneten, wobei das Zink winzige metallische Schneeflocken erzeugte. Sie beschrieben ihre Ergebnisse in einem Papier, das Anfang dieses Monats in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde.

"Im Gegensatz zu Top-down-Ansätzen zur Bildung von Nanostrukturen durch Schneiden von Material beruhen diese Bottom-up-Ansätze auf der Selbstorganisation von Atomen", sagte Co-Autorin Nicola Gaston von der University of Auckland. „So stellt die Natur Nanopartikel her, und es ist sowohl billiger als auch viel präziser als Top-down-Methoden. Es ist auch etwas sehr Cooles, eine metallische Schneeflocke zu kreieren!"

Schneeflocken sind das bekannteste Beispiel für Kristallwachstum, zumindest in der allgemeinen Bevölkerung. Es ist seit langem bekannt, dass Wasserdampf unter bestimmten Bedingungen direkt zu winzigen Eiskristallen kondensieren kann, die normalerweise die Form eines sechseckigen Prismas bilden (zwei sechseckige „Basis“-Flächen und sechs rechteckige „Prismen“-Flächen). Aber dieser Kristall zieht auch mehr in der Luft gekühlte Wassertropfen an. An den Ecken der Einkristalle entspringen Zweige, um Schneeflocken mit immer komplexeren Formen zu bilden.

Die Formen von Schneeflocken und Schneekristallen faszinieren seit langem Wissenschaftler wie Johannes Kepler, der sich 1611 von seiner Sternenbeobachtung verabschiedete, um eine kurze Abhandlung mit dem Titel "On the Six-Cornered Snowflake" zu veröffentlichen. Er war fasziniert von der Tatsache, dass Schneekristalle immer eine sechszählige Symmetrie zu haben scheinen. Etwa 20 Jahre später wurde René Descartes poetisch, nachdem er viel seltenere 12-seitige Schneeflocken beobachtet hatte, "die so perfekt zu Sechsecken geformt waren und deren sechs Seiten so gerade und die sechs Winkel so gleich waren, dass es für Männer unmöglich ist, irgendetwas zu tun". so genau." Er fragte sich, wie eine so perfekt symmetrische Form geschaffen werden konnte, und gelangte schließlich zu einer einigermaßen genauen Beschreibung des Wasserkreislaufs, indem er hinzufügte, dass "sie gezwungen waren, sie so anzuordnen, dass jeder von sechs anderen umgeben ist das gleiche Flugzeug. , der gewöhnlichen Ordnung der Natur folgend."

Robert Hookes Micrographia, veröffentlicht 1665, enthielt einige Skizzen von Schneeflocken, die er unter einem Mikroskop betrachtete. Aber niemand führte eine wirklich systematische Untersuchung von Schneekristallen durch, bis in den 1950er Jahren ein japanischer Kernphysiker namens Ukichiro Nakaya alle wichtigen Arten von Schneekristallen identifizierte und katalogisierte. Nakaya war die erste Person, die künstliche Schneekristalle im Labor züchtete. 1954 veröffentlichte er ein Buch über seine Entdeckungen: Snow Crystals: Natural and Artificial.

Beobachten Sie, wie eine Schneeflocke zu einer komplexen Kristallstruktur "wächst". Bildnachweis: Kenneth Libbrecht

Dank der Pionierarbeit von Nakaya wissen wir, dass bestimmte atmosphärische Bedingungen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit die Form einer Schneeflocke beeinflussen können. Sternförmige Formen bilden sich bei -2 Grad Celsius und -15 Grad Celsius, während sich Säulen bei -5 Grad Celsius und wieder um -30 Grad Celsius bilden. Und je höher die Luftfeuchtigkeit, desto komplexer die Form. Bei besonders hoher Luftfeuchtigkeit können sie sich sogar in...