I materiali allo stato vetroso sono ovunque nella nostra vita e hanno contribuito all'umanità per molti anni. Oggi, svolgono un ruolo fondamentale in varie tecnologie, comprese le fibre ottiche. Sebbene crediamo che il vetro sia altamente stabile, a volte si cristallizza, con conseguente perdita di trasparenza e isotropia, caratteristiche essenziali del vetro, che è stato un problema significativo nelle applicazioni industriali. Il motivo per cui la cristallizzazione avviene in uno stato solido con quasi nessun movimento molecolare è stato un grande mistero. La sua comprensione può aiutare a prevenire o ottimizzare la crescita dei cristalli durante il sottoraffreddamento profondo.

In uno studio recentemente pubblicato su Materiali della natura , ricercatori dell'Istituto di Scienze Industriali, L'Università di Tokyo, Università Fudan, Università di Pechino, e le istituzioni che collaborano hanno condotto studi sperimentali e computazionali sulla rapida crescita dei cristalli in condizioni di sottoraffreddamento profondo. Il loro lavoro fornisce informazioni critiche sul meccanismo della rapida crescita dei cristalli a temperature ultra-basse, contribuendo a molte applicazioni tecnologiche migliorando la stabilità del vetro o producendo cristalli di alta qualità.

"La crescita dei cristalli nei bicchieri è un complesso, problema vecchio di decenni. Il modo in cui le strutture precursori superano il disordine nella fase liquida per organizzarsi in cristalli rimane controverso, "dice Peng Tan, co-autore senior.

Una chiave per la rapida crescita dei cristalli rivelata da simulazioni ed esperimenti è che le interfacce solido-liquido nei liquidi superraffreddati sono spesse e ruvide. L'ampia area di contatto tra le isole ordinate e il liquido disordinato circostante aiuta a rompere il disturbo e facilita la rapida crescita dei cristalli.

"Un altro risultato chiave è che lo stato disordinato è intrinsecamente instabile meccanicamente, portando a una reazione a catena simile al domino della crescita dei cristalli, " spiega Hajime Tanaka, co-autore senior. "Ciò è facilitato dalla capacità delle regioni del cristallo appena formate imperfettamente ordinate di riordinarsi e così facendo prevenire l'accumulo di disordine".

In che modo i ricercatori possono utilizzare questa conoscenza? Si può promuovere la crescita dei cristalli migliorando la capacità di un liquido super raffreddato di sviluppare strutture precursori e riorganizzarsi dall'ordinamento sub-ottimizzato. Tanaka, abbronzatura, Xu, e i colleghi sono ottimisti sul fatto che i ricercatori utilizzeranno queste intuizioni per capire quali materiali presentano le proprietà necessarie per una maggiore stabilità del vetro o una formazione di cristalli di alta qualità. Con ulteriore sviluppo, ci sono applicazioni chiare su vetri ultrastabili e cristalli quasi perfetti.