Un nuovo studio condotto da ricercatori della Waseda University e dell'Università di Tokyo ha scoperto che l'ordinamento orbitale in un composto di vanadato mostra un chiaro comportamento di crescita della nucleazione.

"Crediamo che questa sia la prima osservazione del suo genere, dove gli elettroni in un solido inorganico hanno creato due fasi morbide simili al vapore e all'acqua, e dove è stato osservato un comportamento di nucleazione-crescita dovuto alla tensione superficiale creata tra le fasi, "dice Takuro Katsufuji, professore di scienze fisiche alla Waseda University e ricercatore principale di questo studio.

I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sottoposti a revisione paritaria in Comunicazioni sulla natura l'11 maggio 2020.

Quando il vapore acqueo si condensa, il vapore si trasforma in rugiada mentre i nuclei d'acqua si formano e crescono, fasi di transizione da gas a liquido. Questa formazione e crescita dei nuclei è chiamata processo di nucleazione-crescita, e si verifica in vari tipi di transizioni di fase.

Sebbene le transizioni di fase si verifichino anche nei solidi, un comportamento di nucleazione-crescita non è mai stato osservato durante le transizioni di fase basate sugli elettroni in materiali inorganici. La spiegazione più probabile è perché deve esserci tensione superficiale affinché questo comportamento si verifichi, ma i solidi duri potrebbero creare solo una tensione superficiale trascurabile rispetto a un'energia elastica di massa.

Nel loro studio, Katsufuji e il suo team hanno usato il composto di vanadato BaV ₁₀ oh ₁₅ , un ossido con vanadio e bario. In precedenza, hanno scoperto che a 130K, o circa -140°C, la direzione degli orbitali posseduti dagli elettroni del vanadio si allineano, innescando una transizione di fase nota come ordinamento orbitale in questo composto.

"Sapendo questo, quello che abbiamo fatto nel nostro recente studio è stato sostituire parzialmente il vanadio con il titanio, un elemento chimico situato a sinistra del vanadio nella tavola periodica, per controllare la temperatura di transizione dell'ordinamento orbitale, " Spiega Katsufuji. "Abbiamo rivelato che il processo di nucleazione-crescita stava avvenendo misurando la dipendenza dal tempo della resistività elettrica, suscettibilità magnetica, e la tensione nell'ordinamento orbitale di questo vanadato, e scoprì che gli elettroni avevano creato due fasi soffici vapore-acqua in questo solido organico e che c'era tensione superficiale tra le due fasi".

Nel passato, i metodi per ottenere le caratteristiche desiderabili con la coesistenza di due fasi nei solidi sono stati testati con vari materiali e dispositivi, ma nella maggior parte dei casi, è stato difficile controllare il rapporto di volume e le forme delle due fasi. Però, si prevede che per queste fasi morbide appena scoperte, il controllo del rapporto di volume e delle sue forme potrebbe essere fatto più facilmente. Anche, BaV ₁₀ oh ₁₅ è noto per le sue eccellenti prestazioni come materiale termoelettrico in grado di generare elettricità dalla differenza di temperatura, rendendo questo composto con due fasi coesistenti un materiale attraente.

Katsufuji aggiunge, "Il motivo per cui il processo di nucleazione-crescita si verifica in BaV ₁₀ oh ₁₅ è perché la tensione superficiale tra le due fasi è piuttosto grande a causa dell'accoppiamento di gradi di libertà chiamati orbitali e spin negli elettroni. Speriamo di far progredire la ricerca dal punto di vista che questo è un nuovo fenomeno che deriva da tali gradi di libertà degli elettroni accoppiati".

I ricercatori hanno in programma di misurare varie quantità fisiche del composto vanadato in uno stato in cui le due fasi coesistono e capire come le sue proprietà fisiche possono cambiare e come le sue caratteristiche possono migliorare come materiale funzionale. Ulteriore, BaV ₁₀ oh ₁₅ è il primo materiale come composto inorganico in cui è stato osservato il processo di nucleazione-crescita, ma sarà necessario scoprire se ci sono altri materiali che mostrano un comportamento di nucleazione-crescita.