Un team guidato da scienziati del NREL ha dimostrato un modo per utilizzare la "pressione negativa" per combinare due materiali densi in una lega (a destra) con una densità molto più bassa, come se trasformasse una palla di neve in neve soffice. La nuova lega ha anche proprietà molto diverse da quelle dei suoi genitori. Le sfere rappresentano atomi di manganese (blu), selenio (rosso) e tellurio (oro). Credito:SLAC National Accelerator Laboratory
Alcuni materiali possono trasformarsi in più strutture cristalline con proprietà molto diverse. Ad esempio, spremere una forma morbida di carbonio produce diamante, una forma di carbonio più dura e brillante. Il romanzo di Kurt Vonnegut "La culla del gatto" presentava il ghiaccio nove, una forma immaginaria di acqua con un punto di fusione molto più alto del ghiaccio normale che minacciava di congelare irreversibilmente tutta l'acqua sulla Terra.
Questi materiali sono chiamati polimorfi, e sono comunemente realizzati applicando pressione, o spremere. Gli scienziati alla ricerca di nuovi materiali vorrebbero anche fare il contrario:applicare una "pressione negativa" per allungare la struttura cristallina di un materiale in una nuova configurazione. Nel passato, questo approccio sembrava richiedere pressioni negative difficili se non impossibili da ottenere in laboratorio, in più rischiava di strappare il materiale.
Ora i ricercatori del National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Dipartimento dell'Energia hanno trovato un modo per creare l'equivalente di pressione negativa mescolando due materiali insieme nelle giuste condizioni per creare una lega con una struttura cristallina più ariosa e completamente diversa e proprietà uniche .
Le misurazioni dei raggi X presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del DOE hanno confermato che hanno avuto successo. La loro nuova lega ha più spazio tra i suoi atomi rispetto a uno dei suoi materiali genitori, come se fosse stato allungato. A differenza dei suoi genitori, il nuovo materiale è piezoelettrico, in grado di generare una carica elettrica in risposta a sollecitazioni meccaniche applicate. Questo può essere importante per l'uso in sensori e attuatori.
Pubblicato in Progressi scientifici , il documento che riporta i loro risultati contiene sia la comprensione teorica che la prova sperimentale del concetto che mostrano come possono essere realizzati tali nuovi materiali a bassa densità.
"La creazione delle condizioni di pressione negativa nelle leghe ha richiesto un pensiero controintuitivo, e forse è per questo che non è stato sottolineato prima, " ha detto Andriy Zakutayev, uno scienziato NREL e un autore principale del nuovo documento.
Gli scienziati del personale SLAC Laura Schelhas e Kevin Stone in una stazione sperimentale presso la sorgente di luce di radiazione di sincrotrone di Stanford, dove hanno usato i raggi X per misurare la struttura di un nuovo materiale a "pressione negativa" creato al NREL. Credito:Matt Beardsley/SLAC National Accelerator Laboratory
"È possibile applicare una pressione positiva al materiale schiacciandolo, ma è davvero difficile togliere il materiale, " ha detto. "Pensalo in questo modo:puoi impacchettare una palla di neve dalla neve, ma non puoi trasformare una densa palla di neve in neve soffice."
Lavoro pionieristico su materiali non corrispondenti
L'esperimento si basa sul lavoro pionieristico condotto da NREL sulla miscelazione di composti con strutture atomiche che non corrispondevano.
Così come l'acqua scorre in discesa, una reazione chimica prenderà il percorso di minor resistenza, procedendo in modo da consumare meno energia. La miscelazione di due materiali con strutture ad alta densità richiede molta energia; ma se potessi spingere la reazione nella direzione di creare un prodotto finale a bassa densità i cui atomi fossero più distanti, richiederebbe molta meno energia, i ricercatori hanno teorizzato. Sarebbe l'equivalente di fare un materiale sotto pressione negativa.
Hanno testato questa ipotesi mescolando forme ad alta densità di seleniuro di manganese e tellururo di manganese che hanno diverse strutture cristalline:una simile al salgemma, l'altro il minerale nickeline. Per combinare i due, hanno usato una tecnica chiamata sputtering in cui sottili spruzzi di atomi sono stati liberati dalle superfici di entrambi i materiali di partenza e depositati come un film sottile su una superficie calda, dove la nuova lega si cristallizzò e crebbe, ha detto la scienziata dello staff associato dello SLAC Laura Schelhas. Ha condotto misurazioni a raggi X della nuova lega presso la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) del laboratorio con lo scienziato dello staff Kevin Stone. La lega, si è scoperto, aveva la struttura cristallina di un altro minerale, wurtzite.
"Puoi usare questo approccio di lega per creare diversi, materiali mai visti prima con proprietà interessanti, " Schelhas ha detto. "Per esempio, questo diventa piezoelettrico:quando applichi una tensione attraverso il materiale, in realtà si allunga e diventa più grande. E succede anche il contrario:se ci spingi sopra, produce una carica elettrica. Questi materiali piezoelettrici sono utilizzati in molti luoghi, inclusi alcuni airbag, dove la pressione di essere colpiti in una collisione crea un po' di carica elettrica che fa scattare l'airbag - e il materiale creato qui era completamente nuovo".
Aaron titolare, un ricercatore NREL e assistente professore presso l'Università del Colorado Boulder, disse, "Le proprietà di questa nuova lega potrebbero portare al suo utilizzo come strato di contatto per le celle solari, o per futura memoria magnetica, transistor a film sottile, o dispositivi termoelettrici. Ma il modo in cui l'abbiamo realizzato è ancora più promettente:trovare nuovi percorsi per sintetizzare materiali che la natura non può creare dovrebbe catalizzare il progresso verso le tecnologie di prossima generazione".
