Scienziati della Lehigh University, in collaborazione con Lawrence Berkeley National Laboratory, hanno dimostrato la fabbricazione di quella che chiamano una nuova classe di solidi cristallini utilizzando una tecnica di riscaldamento laser che induce gli atomi a organizzarsi in un reticolo rotante senza alterare la forma macroscopica del solido.

Controllando la rotazione del reticolo cristallino, i ricercatori affermano che saranno in grado di realizzare un nuovo tipo di cristalli singoli sintetici e materiali "bioispirati" che imitano la struttura di speciali biominerali e anche le loro proprietà elettroniche e ottiche superiori.

Il gruppo ha riferito i suoi risultati oggi (3 novembre) in Rapporti scientifici , un diario della natura, in un articolo intitolato "Architettura a cristallo singolo a reticolo rotante sulla superficie del vetro". L'autore principale del documento è Dmytro Savytskii, un ricercatore nel dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali a Lehigh.

Gli altri autori sono Volkmar Dierolf, illustre professore e presidente del dipartimento di fisica a Lehigh; Himanshu Jain, il T.L. Diamond Distinguished Chair in Engineering and Applied Science e professore di scienze e ingegneria dei materiali a Lehigh; e Nobumichi Tamura del Lawrence Berkeley National Lab di Berkeley, California.

Lo sviluppo dei cristalli singoli a reticolo rotante (RLS) segue una scoperta riportata a marzo in Rapporti scientifici in cui il gruppo di Lehigh dimostrò per la prima volta che un singolo cristallo poteva essere coltivato dal vetro senza fondere il vetro.

In un tipico solido cristallino, gli atomi sono disposti in un reticolo, una ripetizione regolare, o periodica struttura tridimensionale. Se visto da qualsiasi angolazione, da sinistra a destra, su e giù, dalla parte anteriore a quella posteriore:diventa evidente una periodicità specifica del cristallo. Bicchiere, al contrario, è un materiale amorfo con una struttura atomica disordinata.

Poiché non hanno confini di grano tra i cristalli interconnessi, i materiali monocristallini spesso possiedono eccezionali caratteristiche meccaniche, proprietà ottiche ed elettriche. I cristalli singoli conferiscono ai diamanti la loro brillantezza e le pale delle turbine a getto la loro resistenza alle forze meccaniche. E il singolo cristallo di silicio di cui è composto un chip di silicio gli conferisce proprietà conduttive superiori che costituiscono la base per la microelettronica.

La periodicità, o motivo ripetuto, in un monocristallo a reticolo rotante, dissero Jain e Dierolf, differisce dalla periodicità in un tipico cristallo singolo.

"Abbiamo scoperto che quando coltiviamo un cristallo dal vetro, " ha detto Giain, "la periodicità non risulta in qualche modo. In una direzione, sembra perfetto, ma se giri il reticolo e lo guardi da un'altra angolazione, vedi che l'intera struttura sta ruotando."

"In un tipico materiale monocristallino, " disse Dierolf, "una volta capito come si ripete lo schema, poi, se conosco la posizione precisa di un atomo, Posso prevedere la posizione precisa di ogni atomo. Questo è possibile solo perché i singoli cristalli possiedono un ordine a lungo raggio.

"Quando coltiviamo un cristallo RLS dal vetro, però, abbiamo scoperto che la periodicità non risulta in qualche modo. Per prevedere la posizione di ogni atomo, Devo conoscere non solo la posizione precisa di un particolare atomo, ma anche l'angolo di rotazione del reticolo.

"Così, dobbiamo modificare leggermente la definizione da manuale di cristalli singoli."

La rotazione, ha detto Jain, avviene su scala atomica e non influisce sulla forma del materiale vetroso. "Solo la stringa di atomi si piega, non tutto il materiale. Possiamo vedere la flessione del reticolo cristallino con la diffrazione dei raggi X".

Per ottenere questa rotazione, i ricercatori riscaldano una porzione molto piccola della superficie di un materiale di vetro solido con un laser, che fa sì che gli atomi diventino più flessibili.

"Gli atomi vogliono disporre in linea retta ma il vetro circostante non lo consente, " disse Jain. "Invece, il vetro, essendo completamente solido, costringe la configurazione degli atomi a piegarsi. Gli atomi si muovono e cercano di organizzarsi in un reticolo cristallino, idealmente in un perfetto monocristallo, ma non possono perché il vetro impedisce la formazione del cristallo perfetto e costringe gli atomi a disporsi in un reticolo rotazionale. Il bello è che la rotazione avviene senza intoppi sulla scala micrometrica.

"Il nostro laser impone un grado di asimmetria alla crescita del cristallo. Controlliamo l'asimmetria della fonte di riscaldamento per imporre questo modello di rotazione agli atomi".

La capacità del gruppo di controllare la quantità di riscaldamento è fondamentale per la formazione del reticolo rotante, disse Jain.

"La chiave per la creazione del reticolo atomico rotante è che avviene senza fondere il vetro. La fusione consente troppa libertà di movimento atomico, che rende impossibile controllare l'organizzazione del reticolo.

"Il nostro modo sottile di riscaldare il vetro supera questo. Riscaldiamo solo la superficie del vetro, non dentro. Questo è molto preciso, riscaldamento molto localizzato. Provoca solo un movimento limitato degli atomi, e ci permette di controllare come si piegherà il reticolo atomico".

Reticoli rotanti sono stati osservati in alcuni biominerali nell'oceano, dissero Jain e Dierolf, e può anche verificarsi su scala molto ridotta in alcuni minerali naturali come sferuliti.

"Ma nessuno lo aveva precedentemente realizzato su larga scala in modo controllato, che abbiamo realizzato con l'imposizione asimmetrica di un laser per far sì che il reticolo rotante, " ha detto Giain.

"Gli scienziati non erano in grado di comprendere questo fenomeno prima perché non potevano osservarlo su una scala abbastanza ampia. Siamo il primo gruppo a indurre questo fenomeno su una dimensione effettivamente illimitata con un laser".

Jain e Dierolf e il loro gruppo stanno pianificando ulteriori studi per migliorare la loro capacità di manipolare l'ordine degli atomi.

I ricercatori hanno eseguito il riscaldamento laser del vetro a Lehigh e hanno caratterizzato il vetro con micro diffrazione di raggi X su un sincrotrone presso il Lawrence Berkeley National Lab. Hanno in programma di eseguire ulteriori caratterizzazioni a Berkeley e con microscopia elettronica a Lehigh.

Il progetto è stato finanziato per sei anni dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

"Questo è un nuovo modo di produrre cristalli singoli, " ha detto Dierolf. "Si apre un nuovo campo creando un materiale con un unico, nuove proprietà".