Хіміки вперше експериментально визначили критичне число атомів у кристалічному зародку, яке необхідне для зростання алмазу при його синтезі з газової фази. Виявилося, що для цього досить невеликого молекулярного кластера, що складається всього з 26 атомів вуглецю. Енергетичний бар'єр нуклеації виявився приблизно на чотири порядку нижче, ніж передбачають класичні моделі. У статті в вчені пишуть, що ці результати підтверджують запропоновані нещодавно механізми багатостадійної нуклеації.
Початкова стадія росту кристала з рідини або пара - нуклеація. Під час неї з пересиченої газової або рідкої фази атоми збираються в невеликі кристалічні зародки, які можуть або продовжити рости далі, або руйнуються назад. Спочатку ці зародки знаходяться в метастабільному стані, але при досягненні певного розміру їх подальше зростання стає вигідним, в результаті чого починає поступово формуватися об'ємний кристал. Ці процеси вкрай важливі при синтезі монокристалів і детально описані в рамках класичних теоретичних моделей, однак перевірити застосовність цих моделей на атомарному рівні в експерименті для кожного окремого випадку практично неможливо через недостатню точність використовуваних сьогодні методів.
Тим не менш, відомо, що при синтезі кристалів алмазу або кремнію з газової фази вимірювана експериментально швидкість нуклеації виявляється значно більшою, ніж пророкує класична теорія. На думку вчених, прискорення нуклеації відбувається за рахунок появи в процесі утворення кристала проміжних метастабільних стадій, але довести ці механізми експериментально раніше не вдавалося.
Вперше досліджувати процес утворення зародків кристалів алмазу на атомному рівні вдалося хімікам із США, Японії, Чехії, Німеччини та України під керівництвом Ніколаса Мелоша (Nicholas A. Melosh) зі Стенфордського університету. Для цього вчені розглянули процес хімічного осадження атомів вуглецю на кремнієву підкладку з газової фази (chemical vapor deposition). Щоб визначити критичне число атомів у метастабільному кластері, необхідне для подальшого зростання кристала, вчені використовували кілька підкладок, на які вони нанесли молекулярні вуглеводневі кластери з алмазоподібною структурою (найпростіше з таких сполук - адамантан), що містять від 10 до 26 атомів вуглецю. Такі підкладки розміщувалися в газовій плазмі, що містить 99 відсотків водню і 1 відсоток метану, і кластери служили для осаджуваних атомів вуглецю метастабільними зародками, які могли провокувати подальший ріст кристала.
Виявилося, що швидкість кристалізації експоненційно залежить від числа атомів вуглецю в кластері. При цьому критичним числом атомів в кластері, при якому подальше зростання кристалічного зародку виявляється більш вигідним, ніж зворотний перехід в газову фазу, становить всього 26 (класична теорія пророкує кілька тисяч атомів). Вчені відзначають, що в такому кластері немає жодного атома, який можна було б віднести до об'ємної фази - всі вони знаходяться досить близько до поверхні. Енергетичний бар'єр нуклеації при цьому склав близько 10 − 20 джоуля - це на чотири порядку менше, ніж повинно бути згідно класичної теорії нуклеації. Проте критична кількість атомів узгоджується із запропонованими нещодавно моделями (як класичними, так і некласичними), які передбачають багатостадійний механізм нуклеації.
За словами авторів роботи, отримані дані можна використовувати для подальшої кількісної розробки цих моделей. Крім того ці результати пояснюють, чому при облозі з газової фази відбувається пріоритетне утворення алмазу, а не графіту, чого не могли пояснити існуючі моделі, згідно з якими для зростання алмазу в кристалічному зародку повинно бути не менше декількох тисяч атомів. Хіміки зазначають, що результати дослідження можуть виявитися корисними для інших процесів, в яких нуклеація відіграє важливу роль - таких як синтез наночастинок, освіта хмар або процеси біомінералізації.
З точки зору експериментального вивчення на атомарному рівні, інтерес представляє не тільки нуклеація і зростання кристала, але і зворотний процес - розчинення. Наприклад, нещодавно процес розчинення вдалося дослідити за допомогою скануючої інтерферометрії, яка показала, що повільне розчинення кристалів у воді відбувається імпульсами і призводить до поширення вздовж поверхні кільцевих мікрохвиль.