(a) Le palline rosse sono atomi di Pd e Ni, mentre le palline blu rappresentano gli atomi di P. Il poliedro di colore arancione rappresenta il piccolo grappolo arricchito di Pd, e il poliedro di colore blu rappresenta il piccolo ammasso arricchito di Ni. Solo una parte dei piccoli grappoli viene visualizzata per chiarimento. (B). Schemi schematici che mostrano la costruzione del cluster 6M-TTP mediante lo schema di condivisione dei bordi. Credito:Lan, S., Zhu, l., Wu, Z. et al. / Numero DOI:10.1038/s41563-021-01011-5
Il vetro è uno dei materiali più comuni che usiamo ogni giorno, ma la struttura dettagliata di questo materiale non metallico e non liquido è sempre stato un grande mistero nella scienza. Un team di ricerca co-guidato da scienziati della City University di Hong Kong (CityU) ha scoperto con successo che il vetro metallico amorfo e cristallino ha gli stessi blocchi strutturali. Ed è la connettività tra questi blocchi che distingue gli stati cristallino e amorfo del materiale. I risultati gettano luce sulla comprensione della struttura del vetro.
Il vetro è un solido amorfo non cristallino che ha un uso pratico e tecnologico diffuso nella vita quotidiana. Oltre al vetro sodocalcico utilizzato nelle finestre, ci sono molti altri tipi di occhiali come il vetro metallico. Il materiale in fase di vetro è misterioso e speciale:all'esterno, il materiale si comporta come un solido, ma dentro, appare disordinato come un liquido. Quindi la sua struttura è stata a lungo al centro della ricerca scientifica.
Un gruppo di ricerca co-guidato dal professor Wang Xunli, Professore Ordinario di Fisica e Capo del Dipartimento di Fisica presso CityU, ha scoperto un legame strutturale tra un solido di vetro e la sua controparte cristallina, che è un passo avanti nella comprensione della struttura dettagliata del materiale amorfo. L'opera è stata pubblicata in Materiali della natura , intitolato "Un motivo di struttura a medio raggio che collega lo stato amorfo e cristallino".
"La struttura del vetro è stata una grande sfida scientifica, ", ha detto il professor Wang.
Dr Lan Si (a destra) e Wu Zhenduo (al centro), co-primi autori dell'articolo, effettuare le regolazioni finali in un esperimento di diffrazione dei raggi X di sincrotrone presso Advanced Photon Source, Laboratorio Nazionale Argonne. Credito:Professor Wang Xunli
A differenza di un solido cristallino costituito da un accatastamento periodico (ordine a lungo raggio) di elementi costitutivi fondamentali noti come celle unitarie, un materiale di vetro non ha un ordine a lungo raggio. Ma un materiale di vetro ha ordinato strutture a corto raggio (2 -5 Å) e medio raggio (5 -20 UN), e scale di lunghezza ancora più lunghe. Però, per la mancanza di contrasto derivante dalla natura amorfa del materiale, era difficile per gli scienziati determinare sperimentalmente la natura dell'ordine a medio raggio. Di conseguenza, è rimasto un mistero scientifico se esista un legame strutturale a medio raggio o su scale di lunghezza maggiore tra il materiale amorfo e le sue controparti cristalline. Ad aggravare ulteriormente il problema è che un materiale amorfo spesso cristallizza in una fase di composizione diversa, con blocchi strutturali sottostanti molto diversi.
Per vincere questa sfida, il team ha catturato una fase cristallina intermedia attraverso un controllo preciso del riscaldamento di un vetro metallico (una lega di palladio-nichel-fosforo (Pd-Ni-P)) ad alta temperatura.
Il team ha successivamente impiegato diverse tecniche avanzate di analisi della struttura, compresa la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione, diffrazione di raggi X di sincrotrone ad alta precisione e analisi automatizzata delle immagini del computer. Confrontando le strutture del vetro metallico (lega) nei suoi stati amorfo e cristallino intermedio, il team ha scoperto che entrambe le forme delle leghe condividono lo stesso elemento costitutivo, che è un ammasso di prismi trigonali tricottato a sei membri (6M-TTP) costituito da atomi di palladio, nichel, e fosforo. Il team ha anche concluso che era la connettività tra i cluster a distinguere gli stati cristallino e amorfo.
"Il nostro studio sperimentale mostra che i mattoni strutturali che collegano gli stati amorfo e cristallino, come il gruppo di prismi trigonali per vetro metallico Pd-Ni-P, potrebbe benissimo estendersi alla scala di medio raggio, nell'ordine delle decine di angstrom (Å), che potrebbe essere una caratteristica universale per i materiali amorfi. Questa scoperta suggerisce fortemente che la struttura del vetro si differenzia dalla sua controparte cristallina principalmente nella connettività degli elementi costitutivi strutturali, ", ha detto il professor Wang.
I ricercatori ritenevano che la comprensione della struttura molecolare del materiale amorfo fosse vitale per la progettazione di nuovi materiali perché la struttura ne determinava le proprietà. "Il nostro studio sperimentale ha fatto luce sulla struttura dei materiali amorfi su scale di lunghezza estese. Questo aiuterà molto i nostri sforzi per capire la struttura del vetro, " ha aggiunto il professor Wang.
