Dopo approfondite ricerche, scienziati del Dipartimento di Chimica dell'Università di Oxford hanno trovato prove sperimentali che gettano nuova luce sulla fusione di sostanze bidimensionali. I risultati dello studio potrebbero essere utilizzati per supportare miglioramenti tecnologici ai materiali a film sottile come il grafene.

I ricercatori del gruppo del professor Roel Dullens del Dipartimento di Chimica di Oxford hanno chiarito sperimentalmente come avviene la fusione di un solido bidimensionale di sfere dure. Con questo lavoro risolvono una delle questioni più importanti ma ancora in sospeso nella scienza della materia condensata. Inoltre, questi risultati forniscono la pietra angolare per l'ulteriore comprensione e sviluppo di materiali bidimensionali.

Fusione, la transizione di fase in cui una sostanza si trasforma da solido a liquido, è ampiamente compreso in termini di base. Ma nonostante si incontri regolarmente nella vita di tutti i giorni, (sia sul posto di lavoro, casa o mondo naturale), gli scienziati hanno cercato a lungo di comprendere il processo di fusione a un livello fondamentale.

La fusione di un solido in un liquido è uno dei fenomeni scientifici più comunemente sperimentati. Però, comprendere questa trasformazione è particolarmente misterioso per i solidi in due dimensioni. Qui, la celebre teoria di Kosterlitz-Thouless-Halperin-Nelson-Young (KTHNY) propone che un intermedio, stato di parziale disordine, chiamato "esatico", esiste tra solido e liquido. Sono stati compiuti sforzi sostanziali per la comprensione di queste transizioni "topologiche", per il quale Kosterlitz e Thouless hanno ricevuto il Premio Nobel 2016 per la Fisica. Tuttavia, per il sistema di interazione più semplice di molte particelle, sfere dure bidimensionali, c'è stata una sorprendente mancanza di consenso nonostante le prime simulazioni siano state eseguite più di 60 anni fa.

La dott.ssa Alice Thorneywork e i suoi collaboratori hanno utilizzato la microscopia ottica per studiare monostrati di sfere dure modello colloidale (vedi riquadro 2) inclinate di un piccolo angolo per introdurre un gradiente nella concentrazione delle particelle. Per le sfere dure, il comportamento è governato solo da questa concentrazione, che ha permesso loro di identificare e caratterizzare il liquido, esatico, e stati solidi e la natura delle transizioni tra di essi in un singolo esperimento. I risultati mostrano che la fusione avviene tramite una transizione continua solido-esatica seguita da una transizione esatico-liquido del primo ordine.