Hai sentito l'espressione "la forma segue la funzione"? Nella scienza dei materiali, la funzione segue la forma.

Una nuova ricerca di Olivier Gagné di Carnegie e del collaboratore Frank Hawthorne dell'Università di Manitoba classifica le cause dell'asimmetria strutturale, alcuni sorprendenti, che sono alla base delle proprietà utili dei cristalli, compresa la ferroelettricità, fotoluminescenza, e capacità fotovoltaica. I loro risultati sono stati pubblicati questa settimana come articolo principale nel Giornale dell'Unione Internazionale di Cristallografia .

"Capire come le diverse disposizioni di legame trasmettono vari attributi utili è fondamentale per le scienze dei materiali", ha spiegato Gagné. "Per questo progetto, eravamo particolarmente interessati a cosa significano le variazioni nelle lunghezze dei legami per le caratteristiche più eccitanti di un materiale, e su come creare un quadro per la loro ottimizzazione."

Questa è stata la quinta e ultima puntata di una serie di articoli di Gagné e Hawthorne che esaminano la variabilità nelle lunghezze dei legami delle strutture cristalline. Questa volta si sono concentrati su composti costituiti da ossigeno ed elementi della categoria chiamata metalli di transizione.

Immagina la tavola periodica. I metalli di transizione costituiscono il suo blocco centrale, formando un ponte che collega le torri di elementi più alte sui lati sinistro e destro.

Come tutti i metalli, possono condurre una corrente elettrica. Hanno anche una vasta gamma di proprietà chimiche e fisiche, compresa l'emissione di luce visibile, malleabilità, e magnetismo. Molti, come l'oro, platino, e l'argento sono apprezzati per il loro valore. Altri, compreso il ferro, nichel, rame, e il titanio sono fondamentali per strumenti e tecnologie.

La capacità dei metalli di transizione di formare una varietà di composti utili è dovuta in gran parte alla particolare configurazione tridimensionale dei loro elettroni. Come tale, i legami che formano nei composti possono essere ampiamente asimmetrici. Ma Gagné e Hawthorne volevano capire se erano in gioco altre cause per la variazione della lunghezza del legame.

"È un problema vecchio di un secolo" ha spiegato Gagné. "Linus Pauling e Victor Goldschmidt hanno fatto di questo argomento uno dei loro principali interessi di ricerca; tuttavia, i dati semplicemente non c'erano in quel momento."

Gagné e Hawthorne hanno analizzato i dati sulle lunghezze di legame di 63 diversi ioni di metalli di transizione legati all'ossigeno in 147 configurazioni da 3, 814 strutture cristalline e ha sviluppato due nuovi indici per contestualizzare il legame asimmetrico.

"Questi indici ci consentono di individuare le diverse ragioni alla base degli accordi di legame asimmetrici, che speriamo ci permetta di sfruttare le proprietà che trasmettono quando prevediamo e sintetizzano nuovi materiali, "Hawthorne ha spiegato.

Con loro sorpresa, hanno scoperto che la struttura interna dei cristalli spesso si distorce spontaneamente come unica funzione della connettività della sua rete di legami, un effetto che mostrano si verifica più frequentemente della distorsione causata da effetti elettronici o altri fattori.

"Sospettavamo che qualche variazione della lunghezza del legame fosse originata dai controlli della struttura cristallina, ma non ci aspettavamo che fosse il fattore principale alla base della variazione della lunghezza del legame nei solidi inorganici, " Ha spiegato Gagné. "È un meccanismo che è completamente separato e non giustificato dalle attuali nozioni di chimica dello stato solido; è stato trascurato fin dai primi giorni della cristallografia."