Alcuni cristalli organici saltano quando vengono riscaldati. Ciò accade a causa di un cambiamento estremamente rapido nella loro struttura cristallina. Nel diario Angewandte Chemie , gli scienziati hanno ora dimostrato che i cristalli inviano segnali acustici durante questo processo, che può essere utile per analizzare le caratteristiche di questo fenomeno. I ricercatori hanno dimostrato che questo processo è analogo alle transizioni martensitiche osservate nell'acciaio e in alcune leghe.

La martensite è una forma di acciaio ottenuta dalla tempra dell'austenite, e dà il nome ad un particolare tipo di transizione di fase. Il rapido raffreddamento dell'austenite non consente agli atomi di adottare la loro struttura preferita alla temperatura più bassa. Anziché, si muovono all'unisono per formare il reticolo martensite. In cristalli saltellanti, anche un gran numero di atomi cambia di concerto la loro posizione nel reticolo. L'elevata velocità di questo fenomeno e il fatto che i cristalli spesso esplodono hanno reso in precedenza impossibile dimostrare questa teoria, capire i dettagli, e sfrutta questo effetto termosaliente, come è noto. La capacità dei cristalli saltellanti di trasformare molto rapidamente il calore in movimento o lavoro è potenzialmente utile per lo sviluppo di muscoli artificiali o braccia robotiche su microscala.

Partendo dal presupposto che l'improvviso rilascio della tensione elastica accumulata nei cristalli saltellanti si traduca in onde acustiche relativamente forti, simili alle onde sismiche di un terremoto, il team della New York University Abu Dhabi, il Sincrotrone Elettronico Tedesco (DESY) ad Amburgo, e il Max Planck Institute for Solid State Research di Stoccarda si mise al lavoro. Guidati da Panče Naumov, i ricercatori hanno scelto di studiare i cristalli dell'aminoacido vegetale acido L-piroglutammico (L-PGA). Questi cristalli saltellanti cambiano la loro struttura cristallina quando vengono riscaldati tra i 65 ei 67 °C; ritornano alla loro struttura di partenza dopo il raffreddamento tra 55,6 e 53,8 °C, come dimostrato dalla cristallografia a raggi X con radiazione di sincrotrone.

Come postulato, i cristalli emettono chiari segnali acustici durante la transizione. Questi segnali possono essere registrati con un sensore piezoelettrico. Il numero, ampiezza, frequenza, e la forma dei segnali ha fornito ai ricercatori informazioni sulla dinamica e sul meccanismo dell'effetto. L'intensità e l'energia dell'onda acustica iniziale erano significativamente più elevate e il tempo di salita più breve rispetto alle onde successive. La ragione di ciò è la propagazione più efficiente dell'onda elastica attraverso il mezzo privo di difetti all'inizio della transizione di fase. Man mano che la transizione procede, il numero di microfessure aumenta, che diminuisce lo sforzo elastico.

Il confine di fase tra le diverse strutture cristalline progredisce a 2,8 m/s in L-PGA, che è diverse migliaia di volte più veloce di altre transizioni di fase. Però, le due strutture cristalline sono più simili tra loro del previsto. La transizione comporta espansioni in due dimensioni e una contrazione nella terza, tutto nel range di solo 0,5-1,7 per cento.

"Il nostro studio mostra che i cristalli saltellanti sono una classe di materiali analoghi alla martensite inorganica, e questo potrebbe essere di enorme importanza per applicazioni come l'elettronica completamente organica", afferma Naumov. "Le tecniche di emissione acustica finalmente forniscono una visione diretta di queste rapide transizioni. I nostri risultati indicano che la materia organica, normalmente percepita come morbida e fragile, e materiali molto più duri, come i metalli e le leghe metalliche sono, almeno a livello molecolare, non così diverso. La ricerca sullo stato solido organico potrebbe consentirci di comprendere meglio i relativi effetti macroscopici".