Study of the Effects of Different Factors on Crystal Growth from Solution: Data of Atomic Force Microscopy

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

In order to crystallographically reconstruct the growth processes of mineral crystals and to establish fundamental patterns in crystal growth at a nanoscale, the effects of various factors on the characteristics of layer-by-layer crystal growth from solution were modeled using atomic force microscopy (AFM). In an experiment on growth in the area of a scratch, it was shown, using an original method of AFM data processing, that the average rate diagrams indicate a situation of a self-organization process: stable auto-oscillations in the growth rate. Comparison of the results with data on the growth of similar uninfluenced hillocks leads to the conclusion that giant fluctuations and the phenomenon of simultaneous growth and dissolution in local areas are caused by nanoindentation, when the strain from artificially formed defects strongly influences the evolution of the surface. In an AFM experiment on the trapping of foreign solid particles by a growing crystal at the nanoscale, the process of formation of a screw dislocation initiated by a foreign inclusion particle was registered. To theoretically explain the process, a three-stage mechanism is proposed that involves strain relaxation around the inclusion particle by the formation of one or more dislocations prior to the sealing of the inclusion during the first stage, the attachment of edge dislocations to them during the time of overgrowing in the second stage, and the development of a resulting dislocation after the particle has been completely sealed during the third stage. In studying growth in a flow cell, the mechanism of nanoscale reorientation of the growth hillock in the direction of the flow was established at a nanoscale, and the phenomenon of a change in the dominant hillock was registered. The resulting dissolution patterns in the channel are a clear demonstration of Curie’s Symmetry Principle, according to which only those symmetry elements of a body in an environment can be preserved that are shared by the body and the environment.

About the authors

N. N. Piskunova

Yushkin Institute of Geology Komi Scientific Center, Ural Branch, RAS

Author for correspondence.
Email: piskunova@geo.komisc.ru
Russian Federation, 167982 Syktyvkar, 54, Pervomayskaya St.

References

  1. Асхабов А. М., Маркова Н. Н. (с 1996 г. — Пискунова Н. Н.) (1997) Влияние гидродинамики на кинетические параметры роста кристаллов из раствора. ДАН. 353(4), 462–464.
  2. Пискунова Н. Н. (2011) Кристаллы из лекарственных растворов как модельные объекты для изучения элементарных процессов роста и растворения. Минералогические перспективы: Материалы межд. минерал. семинара с межд. участием, 17–20 мая 2011 г. Сыктывкар: Геопринт, 132–134.
  3. Пискунова Н. Н., Никулова Н. Ю., Крючкова Л. Ю., Исаенко С. И. (2016)Наноморфология зерен пирита из туфогравелитов хребта Сабля. Современные проблемы теоретической, экспериментальной и прикладной минералогии: Материалы III межд. мин. семинара с межд. участием, 17–20 мая 2016 г. Сыктывкар: Геопринт, 51–53.
  4. Пискунова Н. Н., Сокерина Н. В., Николаев А. Г., Исаенко С. И., Попов М. П. (2018) Наноморфология включений в кристаллах фенакита Уральских Изумрудных копей. Современные проблемы теоретической, экспериментальной и прикладной минералогии: Материалы IV мин. семинара с межд. участием, 22–24 мая 2018 г. Сыктывкар: Геопринт, 81–82.
  5. Пискунова Н. Н., Кряжев А. А. (2021) Нано- и микроморфологические доказательства коллоидной структуры содержимого включений кольцевых силикатных кристаллов. Вестник геонаук. 8(320), 16–26.
  6. Пригожин И., Кондепуди Д. (2002) Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур. М.: Мир, 461 с.
  7. Рашкович Л. Н., Петрова Е. В., Шустин О. А., Черневич Т. Г. (2003) Формирование дислокационной спирали на грани (010) кристалла бифталата калия. Физика твердого тела. 45(2), 378.
  8. Сокерина Н. В., Пискунова Н. Н. (2011) Условия роста кристаллов кварца на месторождении Желанное, приполярный Урал (по данным изучения флюидных и твердых включений). Геохимия. (2), 192–201.
  9. Sokerina N. V., Piskunova N. N. (2011) Growth Condition of Quartz Crystals at the Zhelannoe Deposit in the Nether Polar Urals: Evidence from Fluid and Solid Inclusions. Geochem. Int. 49(2), 181–190.
  10. Сокерина Н. В., Шанина С. Н., Зыкин Н. Н., Пискунова Н. Н., Исаенко С. И. (2013) Условия формирование золоторудной минерализации на проявлении Синильга, Приполярный Урал (по данным изучения флюидных включений). ЗРМО. (6), 89–105.
  11. Трейвус Е. Б., Пискунова Н. Н., В. И. Силаев. (2011) Метакристаллы пирита с Приполярного Урала с признаками пластических деформаций. Материалы межд. минерал. семинара с межд. участием, 17–20 мая 2011 г. Сыктывкар: Геопринт, 150–153.
  12. Трейвус Е. Б., Пискунова Н. Н., Симакова Ю. С. (2011) Скульптура кубических граней кристаллов пирита из Испании и возможная причина ее возникновения. Известия Коми научного центра УрО РАН. (8), 60–64.
  13. Чернов A. A., (1975) Устойчивость плоского фронта при анизотропной поверхностной кинетике. В кн. Рост кристаллов. Т. 11. Ереван: изд. Ереванского ун-та, 221–230.
  14. Чернов А. А., Гиваргизов Е. И., Багдасаров Х. С., Кузнецов В. А., Демьянец Л. Н., Лобачев А. Н. (1980) Современная кристаллография. Т. 3. М.: Наука, 407с.
  15. Capellades G., Bonsu J. O., Myerson A. S. (2022) Impurity Incorporation in Solution Crystallization: Diagnosis, Prevention, and Control. Cryst. Eng. Comm. 24, 1989–2001.
  16. Davis K. J., Nealson K. H., Lüttge A. (2007) Calcite and dolomite dissolution rates in the context of microbe–mineral surface interactions. Geobiology. 5(2), 191–205.
  17. Elhadj S., Chernov A. A., De Yoreo J. (2008) Solvent-mediated Repair and Patterning of Surfaces by AFM. Nanotechnol. 19, 105304 (1–9).
  18. Heiman R. B. (1975) Auflösung von Kristallen. Theorie und technische Anwendung. New York: Springer-Verlag, 45–65.
  19. Land T. A., Martin T. L., Potapenko S., Palmore G. T., De Yoreo J. J. (1999) Recovery of Surfaces from Impurity Poisoning During Crystal Growth. Nature. 399(3), 442–445.
  20. Lee-Thorp J.P., Shtukenberg A. G., Kohn R. V. (2017) Effect of Step Anisotropy on Crystal Growth Inhibition by Immobile Impurity Stoppers. Cryst. Growth Des. 17(10), 5474–5487.
  21. Lucre`ce H., Nicoud A., Myerson S. (2019) The Influence of Impurities and Additives on Crystallization. In: Handbook of Industrial Crystallization. (Eds.: Myerson, A.S.; Erdemir, D.; Lee, A.Y.). Cambridge: Cambridge University Press. 4, 115–135.
  22. Lutjes N. R., Zhou S., Antoja-Lleonart J., Noheda B., Ocelík V. (2021) Spherulitic and rotational crystal growth of Quartz thin films. Sci. Rep. 11, 14888.
  23. Nakada T., Sazaki G., Miyashita S., Durbin S. D., Komatsu H. (1999) Direct AFM Observations of Impurity Effects on a Lysozyme Crystal. J. Cryst. Growth. 196, 503–510.
  24. Poornachary S. K., Chow P. S., Tan R. B.H. (2008) Impurity Effects on the Growth of Molecular Crystals: Experiments and Modeling. Adv. Powder Technol. 19, 459–473.
  25. Rusli I. T., Schrader G. L., Larson M. A. (1989) Raman spectroscopic study of NaNO3 solution system — solute clustering in supersaturated solutions. J. Cryst. Growth. 97(2), 345–351.
  26. Silaev V. I., Kokin A. V., Kiseleva D. V., Piskunova N. N., Lutoev V. P. (2013) New Potentially Industrial Type of Indium Sulfide-Manganese Ore. In: Indium. Properties, Technological Applications and Health Issues (Eds.: Hsaio G. Woo, Huang Tsai Choi). New York: Nova Science Publishers, 261–272.
  27. Teng H., Dove P., Orme C., De Yoreo J. (1998) Thermodynamics of Calcite Growth: Baseline for Understanding Biomineral Formation. Science. 282, 724–727.
  28. Zareeipolgardani B., Piednoir A., Colombani J. (2019) Tuning biotic and abiotic calcite growth by stress. Cryst. Growth Des. 19(10), 5923–5928.
  29. Zhong X., Shtukenberg A. G., Hueckel T., Kahr B., Ward M. D. (2018) Screw Dislocation Generation by Inclusions in Molecular Crystals. Cryst. Growth Des. 18(1), 318–323.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».