Sebbene diversi studi passati abbiano studiato la formazione di cristalli da particelle identiche, le condizioni in cui le particelle non uniformi cristallizzano ed i cristalli risultanti da questo processo sono ancora poco conosciute. In un recente studio pubblicato su Lettere di revisione fisica ( PRL ), i ricercatori dell'Università Friedrich-Alexander di Erlangen-Nürnberg hanno raccolto interessanti scoperte sulla formazione di cristalli complessi da sfere a dispersione dimensionale.

Particelle identiche, come atomi o particelle colloidali che sono sintetizzati per essere simili tra loro, sono noti per avere una bassa dispersione. La dispersione è una misura dell'eterogeneità delle dimensioni delle particelle o delle molecole in una miscela.

La cristallizzazione è un fenomeno molto comune in particelle identiche, tuttavia è molto più difficile da ottenere quando le particelle hanno dimensioni diverse (cioè alta dispersione). Anche dopo aver subito un processo di sintesi, le particelle mostrano spesso una dispersione significativa, soprattutto se il processo di sintesi non è attentamente controllato.

"La nostra ricerca mostra che la dispersione, mentre inibisce la cristallizzazione, non lo vieta del tutto, "Michele Engel, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Anziché, nuovi tipi di cristalli compaiono tramite un processo chiamato cristallizzazione frazionata. La cristallizzazione frazionata ha molte applicazioni tecnologiche e rilevanza in geologia. Il nostro lavoro è il primo a confermare la natura precisa della cristallizzazione frazionata nelle particelle più semplici possibili, sfere dure, sistematicamente utilizzando simulazioni statistiche avanzate."

Nel loro studio, Engel ei suoi colleghi hanno utilizzato simulazioni al computer avanzate per modellare il movimento e il riarrangiamento delle particelle nel tempo. Mentre fai questo, hanno usato uno speciale "trucco" numerico per scambiare le particelle con i loro vicini e ridimensionarle, in quanto ciò può accelerare notevolmente il processo di simulazione.

"I metodi precedenti non utilizzavano questo trucco sistematicamente in funzione della distribuzione delle dimensioni e della densità del sistema, " ha spiegato Engel.

Engel e i suoi colleghi hanno dimostrato che le sfere dure con una distribuzione del raggio gaussiano e una dispersione fino al 19 percento cristallizzano sempre se vengono compresse abbastanza lentamente. Inoltre, hanno osservato che questa cristallizzazione avviene in modi sorprendentemente complessi.

"Abbiamo scoperto che le popolazioni di particelle disperse si cristallizzano con successo e come lo fanno, " disse Engel. "In pratica, una certa morbidezza delle particelle, tempi lunghi, e un concetto chiamato dispersione dinamica (regolazione continua delle dimensioni, forma o carica) è importante per accelerare il processo di cristallizzazione. Infatti, alcune delle nostre previsioni sono già state riportate con successo in precedenza in sistemi sperimentali che coinvolgono atomi, nanoparticelle con linker organici, e micelle morbide (come bolle di sapone nanoscopiche)."

Lo studio condotto da Engel e dai suoi colleghi offre nuove preziose informazioni sulla formazione di cristalli complessi in sfere dure, mostrando le circostanze in cui può verificarsi. Le loro osservazioni suggeriscono anche che potrebbe esserci un legame tra i sistemi di particelle dispersi e le leghe, che sono metalli realizzati combinando insieme due o più elementi metallici.

"I nostri risultati suggeriscono una stretta connessione tra sistemi di particelle disperse e leghe, come i cristalli complessi (fasi di Laves e altre fasi di Frank-Kasper) che abbiamo osservato sono tradizionalmente ben noti nelle leghe". le tecniche di simulazione che abbiamo sviluppato potrebbero essere applicate ad altre miscele di particelle tecnologicamente rilevanti".

© 2019 Science X Network