Una classe di materiali che una volta sembrava potesse rivoluzionare tutto, dalle celle solari alle padelle, ma è caduta in disgrazia nei primi anni 2000, potrebbe essere pronta per la resurrezione commerciale, suggeriscono i risultati di un gruppo di ricerca guidato dall'Università del Michigan.

Pubblicato in Comunicazioni sulla natura , lo studio dimostra un modo per creare quasicristalli molto più grandi di quanto fosse possibile prima, senza i difetti che affliggevano i produttori del passato e portavano i quasicristalli a essere liquidati come una curiosità intellettuale.

"Una ragione per cui l'industria ha rinunciato ai quasicristalli è perché sono pieni di difetti, "ha detto Ashwin Shahani, assistente professore di scienza dei materiali e ingegneria e ingegneria chimica e un autore corrispondente sulla carta. "Ma speriamo di riportare i quasicristalli nel mainstream. E questo lavoro suggerisce che si può fare".

Quasicristalli, che hanno la struttura ordinata ma non gli schemi ripetitivi dei normali cristalli, può essere prodotto con una gamma di proprietà seducenti. Possono essere ultra-duri o super-scivolosi. Possono assorbire calore e luce in modi insoliti e mostrare proprietà elettriche esotiche, tra una miriade di altre possibilità.

Ma i produttori che per primi commercializzarono il materiale scoprirono presto un problema:minuscole crepe tra i cristalli, chiamati bordi di grano, che invitano alla corrosione, rendendo i quasicristalli suscettibili di rottura. Da allora, lo sviluppo commerciale dei quasicristalli è stato per lo più accantonato.

Ma le nuove scoperte del team di Shahani mostrano che, a determinate condizioni, piccoli quasicristalli possono scontrarsi e fondersi insieme, formando un unico grande cristallo senza le imperfezioni del bordo grano che si trovano in gruppi di cristalli più piccoli. Shahani spiega che il fenomeno è stato una sorpresa durante un esperimento volto ad osservare la formazione del materiale.

"Sembra che i cristalli si stiano curando da soli dopo la collisione, trasformare un tipo di difetto in un altro tipo che alla fine scompare del tutto, " ha detto. "È straordinario, dato che i quasicristalli mancano di periodicità."

I cristalli iniziano come solidi simili a matite che misurano una frazione di millimetro, sospeso in una miscela fusa di alluminio, cobalto e nichel, che il team può osservare in tempo reale e in 3D utilizzando la tomografia a raggi X. Mentre la miscela si raffredda, i minuscoli cristalli si scontrano tra loro e si fondono insieme, alla fine si trasforma in un unico grande quasicristallo che è parecchie volte più grande dei quasicristalli costituenti.

Dopo aver osservato il processo all'Argonne National Laboratory, il team lo ha replicato virtualmente con simulazioni al computer. Eseguendo ogni simulazione in condizioni leggermente diverse, sono stati in grado di identificare le condizioni esatte in cui i minuscoli cristalli si fonderanno in quelli più grandi. Hanno trovato, Per esempio, che i minuscoli cristalli a forma di matita devono trovarsi uno di fronte all'altro entro un certo intervallo di allineamento per scontrarsi e fondersi. Le simulazioni sono state condotte nel laboratorio di Sharon Glotzer, il John Werner Cahn Distinguished University Professor of Engineering e un corrispondente autore del documento.

"È entusiasmante quando sia gli esperimenti che le simulazioni possono osservare gli stessi fenomeni che si verificano sulla stessa lunghezza e scala temporale, " ha detto Glotzer. "Le simulazioni possono vedere i dettagli del processo di cristallizzazione che gli esperimenti non possono vedere del tutto, e viceversa, in modo che solo insieme possiamo capire appieno cosa sta succedendo".

Sebbene la commercializzazione della tecnologia sia probabilmente lontana da anni, i dati di simulazione potrebbero infine rivelarsi utili nello sviluppo di un processo per produrre in modo efficiente grandi quasicristalli in quantità su scala di produzione. Shahani anticipa l'uso della sinterizzazione, un noto processo industriale in cui i materiali vengono fusi insieme utilizzando calore e pressione. è un traguardo lontano, ma Shahani afferma che il nuovo studio apre una nuova strada di ricerca che potrebbe un giorno realizzarlo.

Per adesso, Shahani e Glotzer stanno lavorando insieme per capire di più sui difetti dei quasicristalli, compreso come si formano, muoversi ed evolversi.

Il documento è intitolato "Formazione di un singolo quasicristallo in caso di collisione di più grani". Il team di ricerca comprende anche il Brookhaven National Laboratory.