Gündelik bir maddeden diğerine (donma, erime veya buharlaşma gibi) geçişler “çekirdekleşme” adı verilen ve küçük atom veya molekül kümelerinin (“çekirdekler” olarak adlandırıldığı) birleşmeye başladığı bir süreçle başlar. Çekirdeklenme, bulutların oluşumu ve nörodejeneratif hastalığın başlangıcı kadar çeşitli durumlarda kritik bir rol oynar.
UCLA liderliğindeki bir ekip, daha önce hiç görülmemiş bir çekirdeklenme elde ettiler. Araştırmacılar böylece; atomların 4D atomik çözünürlükte (uzayın ve zamanın üç boyutunda olduğu gibi) nasıl yeniden düzenlendiğini açıklayabildiler. Nature dergisinde yayınlanan bulgular; ders kitaplarında uzun süredir görülen klasik çekirdeklenme teorisine dayanan tahminlerden farklıdır.
STROBE Ulusal Bilim Vakfı Bilim ve Teknoloji Merkezi Direktör Yardımcısı ve UCLA’daki California NanoSystems Enstitüsü Astronomi Bölümü Üyesi Fizik Profesörü Jianwei ‘John’ Mia: “Bu gerçekten çığır açan bir deney: Tek tek atomları yüksek hassasiyetle bulup tanımlamakla kalmıyor, aynı zamanda 4D’deki hareketlerini de ilk kez izliyoruz.”
Ekibin araştırması, daha önce Miao’nun araştırma grubu tarafından geliştirilen güçlü bir görüntüleme tekniği üzerine inşa edildi. “Atomik Elektron Tomografisi” olarak adlandırılan bu yöntem; Berkeley Lab Moleküler Dökümhanesinde bulunan ve elektronları kullanarak bir örnek görüntüleyen modern bir elektron mikroskobu kullanıyor. Araştırmanın işleyişi: Numune döndürülür ve aynı şekilde, bir CAT taraması, insan vücudunun üç boyutlu bir X-ışını ürettiği gibi, atomik elektron tomografisi bir malzemenin içindeki çarpıcı atomların 3 boyutlu görüntülerini oluşturur.
Çekirdeklenmeyi araştırmak için, bilim insanları nanoparçacıkları 520 santigrat dereceye (968 derece Fahrenhayt) kadar ısıttılar ve 9 dakika, 16 dakika ve 26 dakika sonra görüntülerini çektiler. Bu sıcaklıkta, alaşım iki farklı katı faz arasında bir geçişe uğradı.
Alaşım her iki fazda da çıplak gözle aynı görünse de, yakından bakıldığında 3D atom düzenlemelerinin birbirinden farklı olduğu gözlemlendi. Isıtmadan sonra yapı; değişken demir ve platin atomları katmanları ile karıştırılmış bir kimyasal durumdan daha düzenli bir duruma geçer. Alaşımdaki değişiklik bir Rubik Küpü çözme ile karşılaştırılabilir. Karışık faz tüm renkleri rasgele karıştırırken, sipariş edilen faz tüm renkleri hizalı hale getirir.
Araştırma sürecinde; aynı nanoparçacık içinde 13 atom kadar küçük olan 33 çekirdeği de takip etti.
Miao: “İnsanlar samanlıkta iğne bulmanın zor olduğunu düşünüyor. Peki aynı atomu üç trilyon atomdan daha fazla trilyon atomda bulmak ne kadar zor olurdu?”
Klasik Çekirdeklenme Teorisi ile çelişen sonuçlar şaşırtıcıydı. Bu teori; çekirdeğin mükemmel bir şekilde yuvarlak kaldığını gösteriyor. Çalışmada, aksine; çekirdekler düzensiz şekiller oluşturdu. Teori ayrıca; çekirdeklerin keskin bir sınırı olduğunu göstermektedir. Bunun yerine, araştırmacılar; her bir çekirdeğin yeni, düzenlenmiş fazda değişen bir atom çekirdeği içerdiğini, ancak düzenlemenin çekirdeğin yüzeyine daha da fazla karıştığını gözlemledi.
Klasik Çekirdeklenme Teorisi ayrıca; bir çekirdek belirli bir boyuta ulaştığında, yalnızca o boyuttan daha fazla büyüdüğünü belirtir. Ancak süreç bundan çok daha karmaşık görünüyor: Büyümenin yanı sıra, çalışmadaki çekirdekler; küçüldü, bölündü ve birleşti; bazıları ise tamamen çözüldü.
Bulgular, klasik çekirdeklenme teorisinin atomik seviyedeki olayları tam olarak tanımlamadığına dair doğrudan kanıtlar sunmaktadır. Çekirdeklenmeyle ilgili keşifler, fizik, kimya, malzeme bilimi, çevre bilimi ve sinirbilimi içeren geniş bir alanda araştırmayı etkileyebilir.
