Credici o no, l'acciaio ha qualcosa in comune con le appendici batteriche:entrambi possono subire un tipo speciale di trasformazione fisica che rimane sconcertante. Ora, ricercatori dal Giappone e dalla Cina hanno utilizzato osservazioni microscopiche dirette per fornire maggiore chiarezza su come avviene questa trasformazione.

In uno studio recentemente pubblicato su Comunicazioni sulla natura , ricercatori dell'Istituto di Scienze Industriali dell'Università di Tokyo e del Dipartimento di Fisica dell'Università di Fudan hanno rivelato dettagli fisici precedentemente sconosciuti che sono alla base delle transizioni di fase cristallina da solido a solido in materiali morbidi, e possibilmente come i ricercatori possono sfruttare più pienamente le proprietà dei materiali avanzati.

Un tipo speciale di transizione di fase da solido a solido, nota come transizione martensitica, è un'entusiasmante frontiera della medicina, tecnologia, e altri campi. La transizione martensitica è resa possibile da un movimento coordinato di atomi in un materiale, che modifica le proprietà del materiale senza modificarne la composizione chimica. Le leghe metalliche e le proteine ​​possono entrambe subire questa transizione. I ricercatori ipotizzano che in materiali morbidi facilmente deformabili, la transizione può avvenire in modo diverso da quelli osservati in materiali duri con difetti stabili. Attualmente, questa ipotesi è difficile da verificare, qualcosa che i ricercatori intendevano affrontare.

"Tradizionalmente, è stato difficile osservare al microscopio il processo dinamico delle transizioni martensitiche in materiali morbidi a livello di singola particella, ", afferma il co-autore senior dello studio Hajime Tanaka. "Bisogna escogitare un mezzo per farlo in un modo che avvii rapidamente la transizione senza perturbazioni dannose per il sistema".

Per fare questo, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica delicata nota come scambio ionico:in linea di principio, lo stesso metodo utilizzato per rimuovere gli ioni calcio e magnesio dall'acqua, per modificare rapidamente la struttura cristallina delle microparticelle polimeriche. Si può osservare la cinetica delle transizioni martensitiche risultanti con un microscopio con risoluzione a singola particella.

"I risultati della microscopia erano inequivocabili, " spiega Peng Tan, co-autore senior dello studio. "Abbiamo osservato tre meccanismi precedentemente sconosciuti mediante i quali i cristalli colloidali molli cubici centrati sul corpo si formano da quelli cubici centrati sulla faccia, a seconda delle condizioni».

I ricercatori hanno esaminato le caratteristiche di questi percorsi, denominati nucleazione interna al grano attivata termicamente, nucleazione assistita da prefusione sui bordi del grano, e crescita assistita dal muro, con particolare attenzione a come si riduce in ogni caso la barriera energetica alla transizione.

"La morbidezza di un cristallo gioca un ruolo fondamentale nella nucleazione nel grano attivata termicamente, " spiega Tanaka. "Mentre, gli altri due percorsi possono verificarsi anche in materiali duri."

Questi risultati hanno diverse applicazioni. Per esempio, alcuni prodotti farmaceutici possono alterare la loro disponibilità nel corpo mediante transizioni di fase da solido a solido; perciò, capire come controllare quando e dove si verificano tali transizioni potrebbe fornire un nuovo mezzo per la somministrazione mirata di farmaci. Una maggiore comprensione dei meccanismi fisici delle trasformazioni solido-solido supporta lo sviluppo di nuovi materiali che possono essere personalizzati per le applicazioni.