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    研究在晶体中发现的脉冲溶解

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      【博科园*科学科普】当德国的研究人员研究了在纳米尺度下溶解晶体的延时图像时,他们发现了一个令人惊讶的现象:在脉冲中,溶解发生了,而这些脉冲的特征是像池塘上的涟漪一样传播。首席研究员Cornelius Fischer说:我们看到的是波浪或环状物,他在不来梅大学教授Andreas Luttge的团队中进行了这项研究。在中间有一个坑,然后在这些坑周围是大规模迁移的环。这项研究已经发表在《美国国家科学院院刊》上。Fischer和Luttge专门研究矿物-流体相互作用,并在美国和德国合作了15年以上。

      在日常生活中,溶解水晶就像把糖搅拌成一杯水一样简单。正如任何一个制作过冰糖的孩子都知道的那样,这个过程也反过来了:当水从杯子里蒸发时,糖的晶体就会形成。科学家们早就知道,晶体是通过一个连续的过程形成的,因为分子是由溶液沉积到正形成的固体的晶体晶格中。我们一直认为溶解是一个连续的过程,就像相反的晶体形成,当这些实验表明这不是一个连续的过程时,我们很惊讶,”费舍尔说。“相反,我们看到的是在这些凹坑周围发生的脉冲。

      研究在晶体中发现的脉冲溶解

      晶体的溶解在脉冲中发生,它的特征是像池塘上的涟漪一样传播。图片版权:MARUM – University of Bremen

      这些脉冲清晰地显示在速率图中,高分辨率的静态图像捕捉了从晶体表面逐渐溶解的物质的速率。在MARUM的实验中,Cornelius Fischer修改了一种叫做“垂直扫描干涉测量法”的成像技术,该技术在2000年代早期在美国休斯敦的莱斯大学(Houston, U.S.)首创,用来制作“表面反应速率图”。费希尔说:这些地图显示了物质通量的分布,从而说明了表面的反应性(他是前马勒姆博士后研究员,现在是德国独立研究实验室Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf的研究小组的负责人)。在对速率图数据进行常规分析的过程中,我们发现了一个显著的表面反应模式的存在。这是对脉动率地图特征进行系统分析的起点。

      利用最初的氧化锌和后来的碳酸钙样品,费舍尔制作的地图显示,在晶体表面的每一次倾斜和上升,都能达到1纳米的分辨率,也就是一米的十亿分之一。每一次扫描都收集了超过400万的测量数据,从一个不超过1平方厘米的表面进行测量。当晶体溶解的时候,将其表面的快照记录下来,以测量晶体溶解的速率,这是表面高度的函数。科学家们早就认识到微小表面缺陷在晶体溶解过程中的重要性。微小的divots被称为“腐蚀坑”,它暴露了晶体的边缘,增加了溶剂(如水)与晶体中的原子发生化学反应的可能性。这个过程类似于铁锈腐蚀钢铁。

      当他们检查率地图为方解石溶解和氧化锌晶体,Luttge和费舍尔发现“有节奏的波动,被活性表面站点密度或解散脉冲传播环从腐蚀坑和螺丝混乱,就像涟漪,从一个卵石掉进池塘里。复杂的脉冲叠加决定了整体的结果,这一发现增加了科学家对晶体溶解的基本理解,并能帮助研究领域的研究人员,如防腐蚀和制药业。

      • 知识:科学无国界,博科园-科学科普

      • 参考:国家科学院学报

      • 内容:“博科园”判定符合今主流科学

      • 来自:德国研究中心亥姆霍兹协会

      • 编译:双螺旋

      • 审校:博科园

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