I ricercatori trasformano la nostra comprensione dei cristalli

18 maggio 2023

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di Katie Malatino, Istituto Politecnico Rensselaer

Quando la maggior parte delle persone pensa ai cristalli, immagina gli acchiappasole che agiscono come prismi arcobaleno o le pietre semitrasparenti che alcuni credono abbiano poteri curativi. Tuttavia, per scienziati e ingegneri, i cristalli sono una forma di materiali in cui i loro costituenti – atomi, molecole o nanoparticelle – sono disposti regolarmente nello spazio. In altre parole, i cristalli sono definiti dalla disposizione regolare dei loro costituenti. Esempi comuni sono i diamanti, il sale da cucina o le zollette di zucchero.

Tuttavia, in una ricerca appena pubblicata su Soft Matter, un team guidato da Sangwoo Lee del Rensselaer Polytechnic Institute, professore associato presso il Dipartimento di ingegneria chimica e biologica, ha scoperto che le strutture cristalline non sono necessariamente sempre disposte in modo regolare. La scoperta fa avanzare il campo della scienza dei materiali e ha implicazioni non realizzate per i materiali utilizzati per i semiconduttori, i pannelli solari e le tecnologie dei veicoli elettrici.

Una delle classi più comuni e importanti di strutture cristalline è quella delle strutture fitte di sfere regolari costruite impilando strati di sfere in una disposizione a nido d'ape. Esistono molti modi per impilare gli strati per costruire strutture compatte e il modo in cui la natura seleziona l'impilamento specifico è una questione importante nella ricerca sui materiali e sulla fisica. Nella costruzione ad impaccamento chiuso, è presente una struttura molto insolita con costituenti distanziati in modo irregolare nota come impilamento casuale di strati esagonali bidimensionali (RHCP). Questa struttura fu osservata per la prima volta nel metallo cobalto nel 1942, ma è stata considerata uno stato transitorio ed energeticamente non preferito.

Il gruppo di ricerca di Lee ha raccolto dati sulla diffusione dei raggi X da modelli morbidi di nanoparticelle costituite da polimeri e si è reso conto che i dati sulla diffusione contengono risultati importanti sull'RHCP ma sono molto complicati. Quindi, Patrick Underhill, professore presso il Dipartimento di ingegneria chimica e biologica di Rensselaer, ha consentito l'analisi dei dati di dispersione utilizzando il sistema di supercomputer, Artificial Intelligence Multiprocessing Optimized System (AiMOS), presso il Center for Computational Innovations.

"Quello che abbiamo scoperto è che la struttura RHCP è, molto probabilmente, una struttura stabile, e questo è il motivo per cui RHCP è stato ampiamente osservato in molti materiali e sistemi cristallini presenti in natura", ha affermato Lee. "Questa scoperta sfida la definizione classica di cristalli."

Lo studio fornisce approfondimenti sul fenomeno noto come politipismo, che consente la formazione di RHCP e altre strutture fitte. Un materiale rappresentativo con politipismo è il carburo di silicio, ampiamente utilizzato per l'elettronica ad alta tensione nei veicoli elettrici e come materiale duro per le armature. I risultati del team di Lee indicano che questi materiali politipici possono avere transizioni strutturali continue, comprese le disposizioni casuali non classiche con nuove proprietà utili.

"Il problema di come si impaccano le particelle morbide sembra semplice, ma anche le domande più elementari sono difficili a cui rispondere", ha affermato Kevin Dorfman dell'Università del Minnesota-Twin Cities, che non è affiliato a questa ricerca. "Questo articolo fornisce prove convincenti di una transizione continua tra reticoli cubici a facce centrate (FCC) ed esagonali compatti (HCP), che implica una fase stabile esagonale compatta tra di loro, e quindi rappresenta un importante passo avanti nella scienza dei materiali ."