Le strutture cristalline non sono sempre disposte regolarmente

Lo studio fornisce approfondimenti sul fenomeno noto come politipismo, che consente la formazione di RHCP e altre strutture compatte.

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 diamanti, sale da tavola o zollette di zucchero.

Tuttavia, nella ricerca pubblicata su Soft Matter (1), un team guidato dal dottor Sangwoo Lee del Rensselaer Polytechnic Institute (2), professore associato presso il Dipartimento di ingegneria chimica e biologica, ha scoperto che le strutture cristalline non sono necessariamente sempre disposte regolarmente. 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 sono le strutture fitte di sfere regolari costruite impilando strati di sfere in una disposizione a nido d'ape. Esistono molti modi per impilare gli strati con lo scopo di costruire di 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 impacchettamento chiuso, c'è una struttura molto insolita con costituenti distanziati irregolarmente nota come impilamento casuale di strati esagonali bidimensionali (RHCP). Questa struttura è stata osservata per la prima volta dal cobalto metallico nel 1942, ma è stata considerata uno stato transitorio ed energeticamente non preferito.

Il gruppo di ricerca di Lee ha raccolto dati di diffusione di raggi X da nanoparticelle di modelli morbidi fatti di polimeri e si è reso conto che i dati di diffusione contengono risultati importanti su RHCP ma sono molto complicati. Quindi, il dottor Patrick Underhill (3), professore presso il Dipartimento di ingegneria chimica e biologica di Rensselaer, ha abilitato l'analisi dei dati di diffusione utilizzando il sistema di supercomputer, Artificial Intelligence Multiprocessing Optimized System (AiMOS), presso il Center for Computational Innovations.

Il dottor Sangwoo Lee dice: «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. 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 compatte. 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 giubbotti antiproiettile. Le scoperte del team di Lee indicano che quei materiali politipici possono avere transizioni strutturali continue, comprese le disposizioni casuali non classiche con nuove proprietà utili.

«Il problema di come le particelle morbide si impacchettano sembra semplice, ma anche le domande più elementari sono difficili da rispondere», ha affermato il dottor Kevin Dorfman (4) dell'University of Minnesota-Twin Cities, che non è affiliato a questa ricerca. «Questo documento fornisce prove convincenti per una transizione continua tra reticoli cubici a facce centrate (FCC) ed esagonali chiusi (HCP), che implica una fase esagonale stabile casuale tra loro e, quindi, fa un importante passo avanti nei materiali scienza».

«Sono particolarmente soddisfatto di questa scoperta, che mostra la potenza del calcolo avanzato per fare un importante passo avanti nella scienza dei materiali decodificando le strutture a livello molecolare nei materiali morbidi», ha affermato il dottor Shekhar Garde (5), decano della School of Engineering di Rensselaer. «Il lavoro di Lee e Underhill presso Rensselaer promette anche di aprire opportunità per molte applicazioni tecnologiche per questi nuovi materiali».

I due scienziati Lee e Underhill sono stati affiancati nella ricerca dal dottor Juhong Ahn di Rensselaer, dal dottor Liwen Chen dell'University of Shanghai for Science and Technology, e dai ricercatori Guillaume Freychet e Mikhail Zhernenkov del Brookhaven National Laboratory.

Fondato nel 1824, il Rensselaer Polytechnic Institute è la prima università americana di ricerca tecnologica. Rensselaer comprende cinque scuole, oltre 30 centri di ricerca, più di 140 programmi accademici inclusi 25 nuovi programmi e una comunità dinamica composta da oltre 6.800 studenti e 104.000 ex studenti viventi. I docenti e gli ex studenti di Rensselaer includono oltre 155 membri della National Academy, sei membri della National Inventors Hall of Fame, sei vincitori della National Medal of Technology, cinque vincitori della National Medal of Science e un vincitore del Premio Nobel per la fisica. Con quasi 200 anni di esperienza nell'avanzamento delle conoscenze scientifiche e tecnologiche, Rensselaer rimane concentrato sull'affrontare le sfide globali con uno spirito di ingegno e collaborazione. (6)

Riferimenti:

(1) Continuous transition of colloidal crystals through stable random orders

(2) Sangwoo Lee

(3) Patrick Underhill

(4) Kevin Dorfman

(5) Shekhar Garde

(6) Rensselaer Polytechnic Institute

Descrizione foto: Sangwoo Lee & Patrick Underhill. - Credit: Rensselaer Polytechnic Institute.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Rensselaer Researcher Transforms Our Understanding of Crystals