è un mondo materiale, ed estremamente versatile in questo, considerando che i suoi elementi costitutivi più elementari, gli atomi, possono essere collegati tra loro per formare strutture diverse che mantengono la stessa composizione.

Diamante e grafite, Per esempio, sono solo due dei tanti polimorfi del carbonio, il che significa che entrambi hanno la stessa composizione chimica e differiscono solo per il modo in cui i loro atomi sono collegati. Ma che differenza fa la connettività:la prima entra in un ring e costa migliaia di dollari, mentre quest'ultimo deve sedersi contento all'interno di un'umile matita.

Anche il composto inorganico biossido di afnio comunemente usato nei rivestimenti ottici ha diversi polimorfi, inclusa una forma tetragonale con proprietà molto attraenti per i chip dei computer e altri elementi ottici. Però, poiché questa forma è stabile solo a temperature superiori a 3100 gradi Fahrenheit - pensate all'inferno ardente - gli scienziati hanno dovuto accontentarsi del suo polimorfo monoclino più limitato. Fino ad ora.

Un team di ricercatori guidato dal chimico dell'Università del Kentucky Beth Guiton e dal chimico della Texas A&M University Sarbajit Banerjee in collaborazione con l'ingegnere di scienza dei materiali della Texas A&M Raymundo Arroyave ha trovato un modo per ottenere questa fase tetragonale molto ricercata a 1100 gradi Fahrenheit.

La ricerca del team, pubblicato oggi in Comunicazioni sulla natura , dettaglia la loro osservazione di questa spettacolare trasformazione atomo per atomo, testimoniato con l'aiuto di microscopi incredibilmente potenti presso l'Oak Ridge National Laboratory. Dopo aver prima ridotto le particelle di biossido di afnio monoclino fino alle dimensioni di minuscoli nanotubi di cristallo, li hanno riscaldati a poco a poco, prestando molta attenzione alla struttura simile a un codice a barre che caratterizza ogni nanobarra e, in particolare, la sua coppia di nanoscala, strisce formanti faglia che sembrano funzionare come punto zero per la transizione.

"In questo studio stiamo osservando una minuscola asta di ossido di metallo trasformarsi da una struttura, che è il tipico materiale che si trova a temperatura ambiente, in un altro, struttura correlata di solito non stabile al di sotto di 3100 gradi Fahrenheit, " disse Guiton, che è professore associato di chimica presso il College of Arts &Sciences del Regno Unito. "Questo è significativo perché il materiale ad alta temperatura ha proprietà sorprendenti che lo rendono un candidato per sostituire il biossido di silicio nell'industria dei semiconduttori, che è costruito sul silicio."

L'industria dei semiconduttori si è affidata a lungo al biossido di silicio poiché è sottile, strato non conduttivo di scelta nello spazio critico tra l'elettrodo di gate, la valvola che accende e spegne un transistor, e il transistor al silicio. L'assottigliamento costante di questo strato non conduttivo è ciò che consente ai transistor di diventare più piccoli e più veloci, ma Guiton fa notare che esiste una cosa troppo sottile:il punto in cui gli elettroni iniziano a scivolare attraverso la barriera, riscaldando così l'ambiente circostante e drenando il potere. Dice che la maggior parte di noi ha visto e sentito questo scenario in una certa misura (gioco di parole), ad esempio, mentre si guardano i video sui nostri telefoni e la batteria si scarica contemporaneamente mentre il dispositivo nel nostro palmo inizia notevolmente a riscaldarsi.

Man mano che i chip dei computer diventano più piccoli, più veloce e più potente, i loro strati isolanti devono anche essere molto più robusti, attualmente un fattore limitante per la tecnologia dei semiconduttori. Guiton afferma che questa nuova fase dell'hafnia è un ordine di grandezza migliore nel resistere ai campi applicati.

Quando si tratta di osservare la transizione strutturale dell'afnia tra il suo tradizionale stato monoclino e questa fase tetragonale commercialmente desiderabile a temperatura quasi ambiente, Banerjee dice che non è diverso dalla televisione popolare, in particolare, la "Hall of Faces" nello show della HBO "Game of Thrones".

"In sostanza, siamo stati in grado di guardare in tempo reale, atomo per atomo, mentre l'afnia si trasforma in una nuova fase, proprio come Arya Stark che indossa un nuovo volto, " ha detto Banerjee. "La nuova fase dell'afnia ha un valore 'k' molto più alto che rappresenta la sua capacità di immagazzinare carica, il che consentirebbe ai transistor di funzionare molto rapidamente mentre si limita a sorseggiare energia invece di indebolirla. Le strisce si rivelano davvero importanti, poiché è lì che inizia la transizione quando l'hafnia perde le sue strisce."

Arroyave attribuisce informazioni su scala atomica in tempo reale per consentire al gruppo di capire che la trasformazione avviene in un modo molto diverso a livelli su scala nanometrica rispetto a quanto avviene all'interno delle particelle macroscopiche che risultano nella forma monoclina di afnia. Il fatto che sia su scala nanometrica in primo luogo è il motivo per cui dice che la transizione avviene a, o molto più vicino a, temperatura ambiente.

"Attraverso la sintesi su scala nanometrica, l'"altezza" della barriera energetica che separa le due forme è stata ridotta, permettendo di osservare l'afnia tetragonale a temperature molto più basse del solito, " Arroyave ha detto. "Questo indica strategie che potrebbero essere utilizzate per stabilizzare una serie di forme utili di materiali che possono consentire un'ampia gamma di funzionalità e tecnologie associate. Questo è solo un esempio delle vaste possibilità che esistono quando iniziamo a esplorare lo spazio dei materiali "metastabili".

Banerjee afferma che questo studio suggerisce un modo per stabilizzare la fase tetragonale alla temperatura ambiente effettiva - che osserva che il suo gruppo ha precedentemente realizzato con un metodo diverso l'anno scorso - e grandi implicazioni per il digiuno, transistor a basso consumo in grado di controllare la corrente senza assorbire potenza, riducendo la velocità o producendo calore.

"Le possibilità sono infinite, compresi laptop ancora più potenti che non si surriscaldano e assorbono energia dalle loro batterie e smartphone che "mantengono la calma e vanno avanti, '" ha detto Banerjee. "Stiamo cercando di applicare questi stessi trucchi ad altri polimorfi di biossido di afnio e altri materiali, isolando altre fasi che non sono prontamente stabilizzate a temperatura ambiente ma possono anche avere proprietà strane e desiderabili".