Matematici e ingegneri dell'Università dello Utah si sono uniti per mostrare come le onde ultrasoniche possono organizzare le particelle di carbonio nell'acqua in una sorta di schema che non si ripete mai. I risultati, dicono, potrebbe risultare in materiali chiamati "quasicristalli" con proprietà magnetiche o elettriche personalizzate.

La ricerca è pubblicata su Lettere di revisione fisica .

"I quasicristalli sono interessanti da studiare perché hanno proprietà che i cristalli non hanno, "dice Fernando Guevara Vasquez, professore associato di matematica. "È stato dimostrato che sono più rigidi di materiali periodici o disordinati simili. Possono anche condurre elettricità, o disperdono le onde in modi diversi dai cristalli".

Modelli senza motivo

Immagina una scacchiera. Puoi prendere un quadrato due per due di due tessere nere e due tessere bianche (o rosse) e copiare e incollare per ottenere l'intera scacchiera. Tali strutture "periodiche", con modelli che fare ripetere, si trovano naturalmente nei cristalli. Prendere, Per esempio, un granello di sale. A livello atomico, è un reticolo a griglia di atomi di sodio e cloruro. Potresti copiare e incollare il reticolo da una parte del cristallo e trovare una corrispondenza in qualsiasi altra parte.

Ma una struttura quasi periodica inganna. Un esempio è il modello chiamato piastrellatura di Penrose. A prima vista, le piastrelle geometriche a forma di diamante sembrano avere uno schema regolare. Ma non puoi copiare e incollare questo modello. Non si ripeterà.

La scoperta di strutture quasiperiodiche in alcune leghe metalliche da parte dello scienziato dei materiali Dan Schechtman ha vinto il Premio Nobel per la Chimica nel 2011 e ha aperto lo studio dei quasicristalli.

Dal 2012, Guevara e Bart Raeymaekers, professore associato di ingegneria meccanica, hanno collaborato alla progettazione di materiali con strutture progettate su misura su microscala. Inizialmente non stavano cercando di creare materiali quasiperiodici, infatti, i loro primi esperimenti teorici, guidato dallo studente di dottorato in matematica China Mauck, si sono concentrati su materiali periodici e su quali modelli di particelle sarebbe possibile ottenere utilizzando le onde ultrasoniche. In ogni piano dimensionale, hanno scoperto che due coppie di trasduttori a ultrasuoni paralleli sono sufficienti per disporre le particelle in una struttura periodica.

Ma cosa accadrebbe se avessero un altro paio di trasduttori? Per scoprirlo, Raeymaekers e lo studente laureato Milo Prisbrey (ora al Los Alamos National Laboratory) hanno fornito gli strumenti sperimentali, e la professoressa di matematica Elena Cherkaev ha fornito esperienza con la teoria matematica dei quasicristalli. Guevara e Mauck hanno condotto calcoli teorici per prevedere i modelli che i trasduttori a ultrasuoni avrebbero creato.

Creare i modelli quasiperiodici

Cherkaev dice che si può pensare che i modelli quasiperiodici usino, invece di un approccio taglia e incolla, una tecnica di "taglio e progetto".

Se usi cut-and-project per disegnare modelli quasiperiodici su una linea, si inizia con una griglia quadrata su un piano. Quindi disegna o taglia una linea in modo che passi attraverso un solo nodo della griglia. Questo può essere fatto disegnando la linea con un angolo irrazionale, usando un numero irrazionale come pi greco, una serie infinita di numeri che non si ripete mai. Quindi puoi proiettare i nodi della griglia più vicini sulla linea e puoi essere sicuro che i modelli delle distanze tra i punti sulla linea non si ripetano mai. Sono quasiperiodici.

L'approccio è simile in un piano bidimensionale. "Cominciamo con una griglia o una funzione periodica nello spazio a più dimensioni, " Dice Cherkaev. "Tagliamo un piano attraverso questo spazio e seguiamo una procedura simile per limitare la funzione periodica a una sezione irrazionale 2-D." Quando si utilizzano trasduttori a ultrasuoni, come in questo studio, i trasduttori generano segnali periodici in quello spazio a più dimensioni.

I ricercatori hanno installato quattro paia di trasduttori a ultrasuoni in una disposizione ottagonale del segnale di stop. "Sapevamo che questa sarebbe stata la configurazione più semplice in cui avremmo potuto dimostrare disposizioni di particelle quasi periodiche, " Afferma Guevara. "Avevamo anche un controllo limitato su quali segnali utilizzare per pilotare i trasduttori a ultrasuoni; potremmo essenzialmente utilizzare solo il segnale o il suo negativo".

In questa configurazione ottagonale, il team ha posizionato piccole nanoparticelle di carbonio, sospeso in acqua. Una volta accesi i trasduttori, le onde ultrasoniche hanno guidato le particelle di carbonio in posizione, creando un modello quasi periodico simile a una piastrellatura di Penrose.

"Una volta eseguiti gli esperimenti, abbiamo confrontato i risultati con le previsioni teoriche e abbiamo ottenuto un ottimo accordo, "dice Guevara.

Materiali personalizzati

Il passo successivo sarebbe quello di fabbricare effettivamente un materiale con una disposizione quasi periodica. Questo non sarebbe difficile, Guevara dice, se le particelle fossero sospese in un polimero invece dell'acqua che potrebbe essere polimerizzata o indurita una volta che le particelle erano in posizione.

"In modo cruciale, con questo metodo, possiamo creare materiali quasiperiodici che sono sia 2-D che 3-D e che possono avere essenzialmente una qualsiasi delle comuni simmetrie quasiperiodiche scegliendo come disponiamo i trasduttori ad ultrasuoni e come li guidiamo, "dice Guevara.

È ancora da vedere cosa potrebbero essere in grado di fare quei materiali, ma un'eventuale applicazione potrebbe essere quella di creare materiali in grado di manipolare le onde elettromagnetiche come quelle utilizzate oggi dalla tecnologia cellulare 5G. Altre applicazioni già note di materiali quasiperiodici includono rivestimenti antiaderenti, grazie al loro basso coefficiente di attrito, e rivestimenti isolanti contro il trasferimento di calore, dice Cerkaev.

Ancora un altro esempio è l'indurimento dell'acciaio inossidabile mediante l'inclusione di piccole particelle quasicristalline. Il comunicato stampa per il Premio Nobel per la Chimica 2011 menziona che i quasicristalli possono "rinforzare il materiale come un'armatura".

Così, dicono i ricercatori, possiamo sperare in molte nuove interessanti applicazioni di queste nuove strutture quasiperiodiche create dall'assemblaggio di particelle ultrasoniche.