چهار بُعد برای حرکت اتم‌ها
چهار بُعد برای حرکت اتم‌ها
مجله علمی ایلیاد - فرآیند هسته‌زایی نقش مهمی در پدیده‌های فیزیکی و زیست‌شناسی دارد. از این پدیده‌ها می‌توان به کریسالیزاسیون، ذوب شدن، تبخیر، شکل‌گیری ابرها و شروع بیماری‌های مرتبط با تخریب عصب‌ها اشاره کرد. به هر حال، هسته‌زایی یک فرآیند چالش‌برانگیز برای مطالعه است؛ به‌خصوص مراحل اولیه‌ی آن که چندین اتم یا مولکول شروع به ایجاد فاز جدیدی می‌کنند را به سختی می‌توان مطالعه کرد. اکنون گروهی از فیزیکدانان دانشگاه کالیفرنیا از روشی به‌نام «پرتونگاری الکترونی اتمی» به‌منظور مطالعه‌ی مراحل اولیه‌ی هسته‌زایی در ۴ بُعد شامل سه بُعد فضا و یک بُعد زمان، در مقیاس اتمی استفاده کرده‌اند.
پروفسور «جیانوی میائو» از دانشگاه لس‌آنجلس کالیفرنیا، می‌گوید: «این آزمایش واقعاً یک آزمایش پیشرو است، زیرا ما نه تنها اتم‌های منفرد را شناسایی و با دقت بالایی مکان‌یابی می‌کنیم، بلکه حرکات آن‌ها را برای اولین بار در ۴ بُعد پایش می‌کنیم.»
پروفسور میائو و همکارانش برای انجام آزمایش‌های خود از یک آلیاژ آهن-پلاتین به شکل نانوذرات ریز استفاده کرده‌اند. ریزی ذرات به نحوی است که ۱۰،۰۰۰ عدد آن‌ها در کنار یکدیگر به اندازه‌ی یک تار موی انسان است. آن‌ها برای بررسی هسته‌زایی، این نانوذرات را تا ۵۲۰ درجه‌ی سلسیوس گرم کرده‌اند و پس از ۹، ۱۶ و ۶۰ دقیقه از آن عکس‌برداری کرده‌اند. در این دما آلیاژ مورد بررسی در یک حالت گذار بین دو فاز جامد مختلف است. هر چند آلیاژ در این دما برای چشم غیرمسلح یکسان به‌نظر می‌آید، ولی نگاه دقیق‌تر نشان می‌دهد که آرایش سه بُعدی اتم‌ها در دو فاز جامد کاملاً متفاوت است. پس از گرمایش، ساختار اتم‌ها منظم‌تر شده و لایه‌های آهن و پلاتین مجزا می‌شوند. محققین توانستند ۳۳ هسته‌ی مشابه که هر کدام از ۱۳ اتم تشکیل شده بودند را در یک نانوذره مشاهده کنند.
این نتایج حیرت‌آور بود، زیرا با تئوری‌های کلاسیک هسته‌زایی هم‌خوانی نداشت. این تئوری‌ها می‌گفتند که هسته‌ها به‌صورت کاملاً کروی تشکیل می‌شوند؛ ولی در این آزمایش مشخص شد که فرم هسته‌ها کاملاً نامنظم است. تئوری‌ها می‌گفتند که هسته‌ها دارای مرزهای واضح هستند که این مورد نیز در آزمایش رد شد. تئوری‌ها اینگونه نظر می‌دادند که با رسیدن هسته‌ها به یک اندازه‌ی مشخص، از همان نقطه رشد آن‌ها ادامه می‌یابد، ولی مشخص شد که این فرآیند بسیار پیچیده‌تر از تصورات است. حتی برخی از هسته‌ها کوچک می‌شوند، تقسیم می‌شوند و یا در یکدیگر ادغام می‌شوند.
نتایج این یافته‌ها در مجله‌ی Nature چاپ شده است و به‌طور مستقیم نشان داده است که تئوری‌های کلاسیک در مورد هسته‌زایی نمی‌توانند به‌خوبی این فرآیند را در مقیاس اتمی شرح دهند.