Molte sostanze intorno a noi, dal sale da tavola e zucchero alla maggior parte dei metalli, sono organizzati in cristalli. Poiché le loro molecole sono disposte in modo ordinato, modello ripetitivo, si sa molto della loro struttura.

Però, un numero molto maggiore di sostanze, compresa la gomma, il vetro e la maggior parte dei liquidi, mancano di quell'ordine fondamentale dappertutto, rendendo difficile la determinazione della loro struttura molecolare. Ad oggi, la comprensione di queste sostanze amorfe si è basata quasi interamente su modelli teorici ed esperimenti indiretti.

Un team di ricerca guidato dall'UCLA sta cambiando le cose. Usando un metodo che hanno sviluppato per mappare la struttura atomica in tre dimensioni, gli scienziati hanno osservato direttamente come gli atomi sono impacchettati in campioni di materiali amorfi. Le scoperte, pubblicato oggi in Materiali della natura , può forzare una riscrittura del modello convenzionale e informare la progettazione di materiali e dispositivi futuri che utilizzano queste sostanze.

"Riteniamo che questo studio avrà un impatto molto importante sulla comprensione futura dei solidi e dei liquidi amorfi, che sono tra le sostanze più abbondanti sulla Terra, " ha detto l'autore senior dello studio, Jianwei "John" Miao, un professore di fisica e astronomia dell'UCLA e membro del California NanoSystems Institute dell'UCLA. "Comprendere le strutture fondamentali può portare a notevoli progressi nella tecnologia".

A partire dal 1952 con il lavoro del fisico britannico Frederick Charles Frank, la comprensione scientifica prevalente è stata che gli atomi e le molecole in un solido liquido o amorfo generalmente si inseriscono in gruppi di 13. Il modello sostiene che sono configurati con un atomo o molecola centrale circondato dagli altri 12 - due anelli di cinque attorno al centrale particella, con un altro che copre la parte superiore e uno che copre il fondo.

Per modellare come gruppi di atomi o molecole potrebbero combaciare su scale più grandi, gli scienziati concettualizzano questo gruppo di 13 come una forma 3D trattando ogni particella esterna come un angolo e collegando i punti, risultante in un solido con 20 facce triangolari, chiamato icosaedro, una forma familiare a qualsiasi giocatore di Dungeons &Dragons sotto forma di un dado a 20 facce.

Miao e i suoi colleghi hanno trovato qualcosa di diverso, anche se.

Il team ha analizzato tre oggetti metallici amorfi utilizzando la tomografia elettronica atomica. Questo è un potente metodo di imaging che trasmette elettroni a un campione e misura gli elettroni mentre passano attraverso, acquisire i dati più volte mentre il campione viene ruotato in modo che gli algoritmi del computer possano costruire un'immagine 3D.

I ricercatori hanno scoperto che solo una piccolissima frazione degli atomi formava gruppi icosaedrici di 13. Piuttosto, la disposizione più comune era quella di gruppi di sette, con cinque in uno strato centrale, uno sopra, uno sul fondo e nessun atomo centrale, una forma che i ricercatori descrivono come una bipiramide pentagonale, con 10 facce triangolari. Hanno anche osservato che queste bipiramidi pentagonali formavano reti in cui i bordi erano spesso condivisi.

"Dal giornale di Frank, la comunità scientifica ha ritenuto che l'ordine icosaedrico sia il motivo strutturale più importante nei liquidi o nei solidi amorfi, "Miao ha detto. "Ma finora, nessun altro è stato in grado di mappare la posizione di tutti gli atomi e controllare. Abbiamo scoperto che la bipiramide pentagonale è il motivo più diffuso. La natura sembra preferire combinare in sette."

La predominanza di quella combinazione era coerente tra i campioni studiati dai ricercatori, chi, per semplicità, materiali selezionati che esistono come singoli atomi alla loro scala fondamentale. I materiali esaminati erano un film sottile di tantalio, che è un metallo raro utilizzato per i componenti elettronici, e due nanoparticelle di palladio, un metallo importante per i convertitori catalitici che rendono meno tossici gli scarichi delle automobili.

Il team ha anche utilizzato i dati sperimentali come base per una simulazione al computer di ciò che accade quando il tantalio viene fuso e poi raffreddato rapidamente in modo che non si formino cristalli, risultando in quello che viene chiamato un vetro metallico. Nella simulazione, gli atomi di tantalio similmente impacchettati in reti di bipiramidi pentagonali più spesso di qualsiasi altra forma, sia come liquido che come bicchiere.

Questi risultati possono indurre a riconsiderare alcuni aspetti del modello fisico della scienza per il mondo che ci circonda. E poiché i materiali amorfi sono integrati in alcuni semiconduttori e numerosi dispositivi, compresi i pannelli solari, questa ricerca potrebbe essere un primo passo per sostituire tentativi ed errori con un design mirato in cui sono coinvolti questi materiali.

"Questo lavoro, insieme al nostro recente articolo su Nature sui materiali non cristallini, può essere paragonabile per influenza alla prima volta che la scienza ha rivelato la struttura atomica 3D dei cristalli di sale oltre un secolo fa, " disse Miao.