Un team di ricercatori dell'Università di Tokyo e della Fudan University ha studiato il processo di cristallizzazione quando è possibile più di una disposizione strutturale. Riducendo il rumore da fluttuazioni casuali, hanno scoperto che i precursori transitori dei vari ordinamenti cristallini coesistono e competono tra loro. Questo lavoro può aiutare a portare a metodi di ingegneria dei cristalli più efficienti.

Una delle mostre più popolari di qualsiasi museo di geologia è la sezione dei cristalli. Grande, piatto, le facce rettangolari o tetraedriche di un elegante cristallo riflettono i modelli molecolari sottostanti. A ben vedere, alcuni esemplari risultano essere mosaici di forme diverse, dimostrando che gli stessi atomi possono organizzarsi in più modi, chiamato polimorfismo. Infatti, tutti i cristalli ripetono solo disposizioni di atomi o particelle più grandi che tipicamente crescono da semi più piccoli. Questi semi servono come modelli iniziali che consentono alle nuove particelle di attaccarsi nelle posizioni corrette. Però, quando più strutture mostrano stabilità simili, il processo di cristallizzazione può diventare estremamente complesso.

Per capire meglio questo, i ricercatori dell'Università di Tokyo e della Fudan University hanno studiato un sistema sperimentale costituito da sfere colloidali di poli(metilmetacrilato) uniformi. Utilizzando la microscopia confocale, che consente di tracciare le posizioni 3-D di molte particelle contemporaneamente, insieme a potenti algoritmi informatici, il team ha osservato una miscela ribollente di strutture in competizione che si rompevano e si riformavano costantemente.

Ogni tipo di precursore ordinatore cristallino era in competizione per seminare la crescita di quel tipo di struttura. Gli scienziati hanno scoperto che le strutture intermedie prima che la cristallizzazione fosse completa si sono rivelate miscele di ordini locali di breve durata e frequentemente trasformati l'uno nell'altro. "La competizione tra diversi ordinamenti di cristalli avviene localmente e può essere mascherata da grandi fluttuazioni di posizione, ", afferma l'autore senior Peng Tan.

Per superare questo rumore, il team ha dovuto utilizzare metodi computazionali per classificare correttamente le varie strutture. La coesistenza spaziale delle fasi, insieme alle fluttuazioni temporali ritrovate di ordini concorrenti, mostra che il disordine è una caratteristica intrinseca dei precursori dei cristalli.

"Il nostro metodo fornisce il quadro più chiaro finora della competizione che può esistere tra le varie forme cristalline in un singolo campione, ", afferma l'autore senior Hajime Tanaka. "Questa ricerca potrebbe aprire la strada a nuovi approcci per la produzione industriale di materiali cristallini".

L'opera è pubblicata in Progressi scientifici come "Ruolo rivelatore di ordinamenti strutturali locali in competizione nella cristallizzazione di sistemi polimorfici".