Ricerca pubblicata su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze descrive un nuovo tipo di liquido in film sottili, che forma un vetro ad alta densità. Risultati generati in questo studio, condotto da ricercatori del Dipartimento di Chimica di Penn, dimostrare come questi occhiali e altri materiali simili possono essere fabbricati per essere più densi e più stabili, fornendo un quadro per lo sviluppo di nuove applicazioni e dispositivi attraverso una migliore progettazione.

Il vetro è tipicamente creato attraverso la solidificazione, o perdere l'equilibrio, di un liquido quando viene raffreddato ad una temperatura in cui il suo movimento si arresta. La struttura di un bicchiere ricorda da vicino la fase liquida, ma le sue proprietà sono simili ai solidi, simile a un cristallo.

Occhiali che diventano ultrasottili, I film su scala nanometrica sono ampiamente utilizzati in applicazioni come display OLED e fibre ottiche. Ma quando questi tipi di occhiali vengono trasformati in pellicole sottili, anche a basse temperature si comportano più come un liquido, e il materiale risultante può essere soggetto a formazione o cristallizzazione di goccioline, che limita la dimensione delle caratteristiche più piccole possibili.

Per fare occhiali migliori, i ricercatori hanno utilizzato la deposizione di vapore invece di raffreddare un liquido per produrre un vetro. Nella deposizione di vapore, un materiale si trasforma da gas a solido direttamente. Mentre questo metodo ha permesso ai ricercatori di creare tipi più densi di vetri sfusi, inizialmente si pensava che i film sottili di vetro realizzati con questo metodo avrebbero ancora le stesse proprietà liquide che avrebbero portato alla degradazione e all'instabilità.

Ma Yi Jin, un recente dottorato di ricerca laureato che ha lavorato nel laboratorio di Zahra Fakhraai, condusse esperimenti e scoprì che in realtà non era così. "Yi continuava a scoprire proprietà diverse, nessuno dei dati aveva senso, e così abbiamo scavato più a fondo finché non abbiamo avuto abbastanza dati per mettere insieme un'immagine, " dice Fakhrai.

Jin ha trascorso diversi anni conducendo esperimenti dettagliati, dal cambiare il substrato di vetro, proprietà, e tassi di deposizione per garantire che tutta la loro attrezzatura fosse accuratamente pulita per escludere contaminazioni o errori sperimentali.

Dopo aver eseguito tutti gli esperimenti di controllo necessari, i ricercatori sono rimasti sorpresi nello scoprire che quando si utilizza la deposizione di vapore, potrebbero accedere a un diverso tipo di liquido, con una transizione di fase al tipico liquido sfuso al riscaldamento. Una transizione di fase è quando un materiale cambia da uno stato (gas, liquido, o solido) in un altro. "I due liquidi hanno strutture distinte, simile al grafene e al diamante che sono entrambi solidi fatti di carbonio ma esistono in forme solide molto diverse".

"Ci sono molte proprietà interessanti che sono venute fuori dal nulla, e nessuno aveva pensato che nei film sottili si potessero vedere queste fasi, " dice Fakhraai. "È un nuovo tipo di materiale."

Usando la deposizione di vapore, i ricercatori possono creare vetri a film sottile molto densi, corrispondente al confezionamento di questa nuova fase liquida, con una densità molto più alta di quanto previsto fosse possibile senza applicare enormi quantità di pressione. I film sottili di questi vetri possono avere valori di densità anche superiori al cristallo.

Per confermare ciò che stavano vedendo, i ricercatori hanno anche ottenuto informazioni strutturali dettagliate che mostrano come le singole molecole vengono imballate utilizzando le apparecchiature del Brookhaven National Laboratory. Questa analisi ha aiutato i ricercatori a confermare che ciò che stavano vedendo non era semplicemente un cristallo, ma invece una fase completamente nuova nel vetro.

Un'altra ipotesi basata sui dati raccolti finora è che la possibilità di accedere a questa fase unica sia dovuta alla geometria del vetro, il che significa che questo lavoro potrebbe avere implicazioni anche per altri tipi di materiali. "Stiamo sviluppando materiali che stanno cercando di scendere in termini di scala, " dice Jin riguardo al suo attuale lavoro nel settore della scienza dei materiali. "Da quello che vediamo negli occhiali, potrebbero esserci anche fenomeni interessanti che emergono da altri materiali, come i materiali metallici comunemente usati nei semiconduttori, Per esempio."

I ricercatori del laboratorio di Fakhraai stanno già lavorando su esperimenti di follow-up per saperne di più sui parametri cruciali che portano a questa transizione di fase unica. Ciò include lo studio dei film durante il processo di deposizione e lo "zoom avanti" sulla regione di transizione di fase per saperne di più su questo fenomeno appena scoperto. Questo lavoro è fondamentale anche per comprendere meglio gli occhiali nel loro insieme, dice Fakhrai, dove rimane una disconnessione tra teorie che potrebbero fornire una piattaforma predittiva per lo sviluppo di nuovi materiali in applicazioni e nuove tecnologie.

"Per confezionare i vaccini Moderna o Pfizer, hai bisogno di un bicchiere che possa andare davvero a bassa temperatura e non rompersi, e il fatto che questa tecnologia esista è un vanto di quanto bene possiamo progettare la meccanica del vetro sfuso, " dice. "La nostra speranza è che questa comprensione fondamentale motivi più applicazioni e una migliore capacità di progettare vetri a film sottile con proprietà similmente migliorate. Se le relazioni struttura-proprietà sono comprese nei film sottili, possiamo fare di meglio in base alla progettazione."