mai 17, 2024

Obiectiv Jurnalul de Tulcea – Citeste ce vrei sa afli

Informații despre România. Selectați subiectele despre care doriți să aflați mai multe

O nouă descoperire transformă înțelegerea noastră despre cristale

O nouă descoperire transformă înțelegerea noastră despre cristale

Un nou studiu descoperă că structurile cristaline, cruciale pentru știința materialelor și tehnologiile, cum ar fi semiconductorii și panourile solare, nu sunt întotdeauna aranjate în mod ordonat. Ei au descoperit că stivuirea aleatorie a straturilor hexagonale (RHCP), considerată anterior o stare de tranziție, este probabil să fie stabilă și poate oferi noi proprietăți utile materialelor cu mai multe specii, cum ar fi carbura de siliciu utilizată în electronica de înaltă tensiune și armura corporală.

Credințele anterioare au fost răsturnate de descoperirea unor structuri aranjate neregulat.

Pentru mulți, cuvântul „cristale” evocă imagini cu lumina soarelui strălucitoare, creând prisme de culori curcubeului sau pietre translucide despre care se crede că au puteri vindecătoare. Dar în știință și inginerie, cristalele capătă o definiție mai tehnică. Sunt privite ca substanțe ale căror componente – fie că sunt atomi, molecule sau nanoparticule – sunt aranjate în mod regulat în spațiu. Cu alte cuvinte, cristalele sunt identificate prin aranjarea regulată a componentelor lor. Exemplele familiare includ diamante, sare de masă și cuburi de zahăr.

Sangwoo Lee

Sangwoo Lee. Credit: Institutul Politehnic Rensselaer

Spre deosebire de această definiție larg acceptată, un studiu recent condus de Sangwoo Lee, profesor asistent în cadrul Departamentului de Inginerie Chimică și Biologică de la Institutul Politehnic Rensselaer, dezvăluie un aspect interesant al structurilor cristaline, dezvăluind că aranjarea componentelor în cristale nu este. Întotdeauna neapărat regulat.

Această descoperire avansează domeniul științei materialelor și are implicații nerealizate pentru materialele utilizate în ea[{” attribute=””>semiconductors, solar panels, and electric vehicle technologies.

One of the most common and important classes of crystal structures is the close-packed structures of regular spheres constructed by stacking layers of spheres in a honeycomb arrangement. There are many ways to stack the layers to construct close-packed structures, and how nature selects specific stacking is an important question in materials and physics research. In the close-packing construction, there is a very unusual structure with irregularly spaced constituents known as the random stacking of two-dimensional hexagonal layers (RHCP). This structure was first observed from cobalt metal in 1942, but it has been regarded as a transitional and energetically unpreferred state.

Lee’s research group collected X-ray scattering data from soft model nanoparticles made of polymers and realized that the scattering data contains important results about RHCP but is very complicated. Then, Patrick Underhill, professor in Rensselaer’s Department of Chemical and Biological Engineering, enabled the analysis of the scattering data using the supercomputer system, Artificial Intelligence Multiprocessing Optimized System (AiMOS), at the Center for Computational Innovations.

“What we found is that the RHCP structure is, very likely, a stable structure, and this is the reason that RHCP has been widely observed in many materials and naturally occurring crystal systems,” said Lee. “This finding challenges the classical definition of crystals.”

The study provides insights into the phenomenon known as polytypism, which enables the formation of RHCP and other close-packed structures. A representative material with polytypism is silicon carbide, widely used for high-voltage electronics in electric vehicles and as hard materials for body armor. Lee’s team’s findings indicate that those polytypic materials may have continuous structural transitions, including the non-classical random arrangements with new useful properties.

“The problem of how soft particles pack seems straightforward, but even the most basic questions are challenging to answer,” said Kevin Dorfman of the University of Minnesota-Twin Cities, who is unaffiliated with this research. “This paper provides compelling evidence for a continuous transition between face-centered cubic (FCC) and hexagonal close-packed (HCP) lattices, which implies a stable random hexagonal close-packed phase between them and, thus, makes an important breakthrough in materials science.”

“I am particularly pleased with this discovery, which shows the power of advanced computation to make an important breakthrough in materials science by decoding the molecular level structures in soft materials,” said Shekhar Garde, dean of Rensselaer’s School of Engineering. “Lee and Underhill’s work at Rensselaer also promises to open up opportunities for many technological applications for these new materials.”

Reference: “Continuous transition of colloidal crystals through stable random orders” by Juhong Ahn, Liwen Chen, Patrick T. Underhill, Guillaume Freychet, Mikhail Zhernenkovc and Sangwoo Lee, 14 April 2023, Soft Matter.
DOI: 10.1039/D3SM00199G

Lee and Underhill were joined in research by Rensselaer’s Juhong Ahn, Liwen Chen of the University of Shanghai for Science and Technology, and Guillaume Freychet and Mikhail Zhernenkov of Brookhaven National Laboratory.

READ  „Orașul pierdut” din adâncul Oceanului Atlantic nu seamănă cu orice altceva am văzut pe Pământ