In uno studio della Rice University, un materiale policristallino che ruota in un campo magnetico si riconfigura quando i bordi dei grani appaiono e scompaiono a causa della circolazione all'interfaccia dei vuoti. I vari colori identificano l'orientamento del cristallo. Credito:Biswal Research Group/Rice University
Gli ingegneri della Rice University che imitano i processi su scala atomica per renderli abbastanza grandi da vedere hanno modellato come il taglio influenzi i bordi dei grani nei materiali policristallini.
Il fatto che i confini possano cambiare così rapidamente non è stata del tutto una sorpresa per i ricercatori, che hanno utilizzato array rotanti di particelle magnetiche per vedere ciò che sospettano accade all'interfaccia tra domini cristallini disallineati.
Secondo Sibani Lisa Biswal, professoressa di ingegneria chimica e biomolecolare presso la George R. Brown School of Engineering della Rice, e la studentessa laureata e autrice principale Dana Lobmeyer, il taglio interfacciale al confine del vuoto cristallino può davvero guidare l'evoluzione delle microstrutture.
La tecnica riportata in Science Advances potrebbe aiutare gli ingegneri a progettare materiali nuovi e migliorati.
A occhio nudo, metalli comuni, ceramiche e semiconduttori appaiono uniformi e solidi. Ma su scala molecolare, questi materiali sono policristallini, separati da difetti noti come bordi di grano. L'organizzazione di questi aggregati policristallini governa proprietà come conducibilità e resistenza.
Sotto lo stress applicato, i bordi del grano possono formarsi, riconfigurarsi o addirittura scomparire del tutto per adattarsi a nuove condizioni. Anche se i cristalli colloidali sono stati usati come sistemi modello per vedere lo spostamento dei confini, il controllo delle loro transizioni di fase è stato impegnativo.
"Ciò che distingue il nostro studio è che nella maggior parte degli studi sui cristalli colloidali, i bordi dei grani si formano e rimangono fissi", ha detto Lobmeyer. "Sono essenzialmente scolpiti nella pietra. Ma con il nostro campo magnetico rotante, i bordi dei grani sono dinamici e possiamo osservarne il movimento."
Negli esperimenti, i ricercatori hanno indotto colloidi di particelle paramagnetiche a formare strutture policristalline 2D facendole ruotare con campi magnetici. Come mostrato di recente in uno studio precedente, questo tipo di sistema è adatto per visualizzare le transizioni di fase caratteristiche dei sistemi atomici.
Qui, hanno visto che le fasi gassose e solide possono coesistere, dando luogo a strutture policristalline che includono regioni prive di particelle. Hanno mostrato che questi vuoti agiscono come fonti e pozzi per il movimento dei bordi dei cereali.
Il nuovo studio dimostra anche come il loro sistema segua la teoria di Read-Shockley di lunga data della materia condensata dura che prevede gli angoli di disorientamento e le energie dei bordi di grano a basso angolo, quelli caratterizzati da un piccolo disallineamento tra cristalli adiacenti.
Applicando un campo magnetico sulle particelle colloidali, Lobmeyer ha spinto le particelle di polistirene incorporate nell'ossido di ferro ad assemblarsi e ha osservato mentre i cristalli formavano i bordi dei grani.
"In genere abbiamo iniziato con molti cristalli relativamente piccoli", ha detto. "Dopo un po' di tempo, i bordi dei grani hanno cominciato a scomparire, quindi abbiamo pensato che potesse portare a un unico cristallo perfetto."
Invece, si sono formati nuovi bordi di grano a causa del taglio all'interfaccia del vuoto. Simili ai materiali policristallini, questi hanno seguito l'angolo di disorientamento e le previsioni di energia fatte da Read e Shockley più di 70 anni fa.
"I confini del grano hanno un impatto significativo sulle proprietà dei materiali, quindi capire come i vuoti possono essere utilizzati per controllare i materiali cristallini ci offre nuovi modi per progettarli", ha affermato Biswal. "Il nostro prossimo passo è utilizzare questo sistema colloidale sintonizzabile per studiare la ricottura, un processo che prevede più cicli di riscaldamento e raffreddamento per rimuovere i difetti all'interno dei materiali cristallini."
La National Science Foundation (1705703) ha sostenuto la ricerca. Biswal è William M. McCardell Professor in Chemical Engineering, professore di ingegneria chimica e biomolecolare e di scienza dei materiali e nanoingegneria. + Esplora ulteriormente
