(Phys.org)—In un articolo appena pubblicato su Materiali della natura , un team di ricercatori che include William T.M. Irvine, professore assistente di fisica all'Università di Chicago, è riuscito a creare un difetto nella struttura di un cristallo monostrato semplicemente inserendo una particella in più, e poi osservare come il cristallo "guarisce" se stesso. Il trucco per questa proprietà di autoguarigione è che il cristallo, una serie di particelle microscopiche, deve essere curvo.
Questo effetto, che comporta importanti implicazioni per migliorare la conduttività dell'elettronica e di altri ambiti della scienza dei materiali, è stato predetto sei anni fa dal fisico Mark Bowick della Syracuse University, insieme a David Nelson, Homin Shin e Alex Travesset, nella ricerca sostenuta dalla National Science Foundation. NSF ha anche finanziato il nuovo studio.
Per dimostrare sperimentalmente la loro previsione, Bowick ha cercato Paul M. Chaikin del Center for Soft Matter Research presso la New York University. Chaikin ha chiesto l'aiuto di Irvine mentre era uno scienziato post-dottorato che lavorava nel laboratorio di Chaikin.
Tutti e tre i ricercatori sono specializzati nel ramo della scienza dei materiali chiamato "materia soffice, " che studia una vasta gamma di sostanze semisolide come gel, schiume e cristalli liquidi.
DI MATERIA MORBIDA E CONDIMENTO PER INSALATA
Bowick ha descritto le microemulsioni di materia morbida con cui lavora come simili a una salsa ranch a base di maionese.
"La maionese è composta da una miscela di olio d'oliva e aceto (che è essenzialmente acqua), " ha spiegato. "Bisogna sbattere gli ingredienti a lungo per disperdere minuscole goccioline di aceto nell'olio per fare un'emulsione." Ma mantenere così tante goccioline mescolate uniformemente nell'olio richiede la presenza di un tensioattivo, uno stabilizzatore che è ugualmente felice sia nell'olio che nell'acqua.
"Nel vestito da ranch, il tensioattivo utilizzato è costituito da particelle di semi di senape macinati, che si dispongono all'interfaccia tra l'acqua e l'olio, " Bowick ha detto. "Le particelle di semi di senape si raccolgono sulla superficie delle goccioline d'acqua."
Per studiare i cristalli curvi, i ricercatori hanno emulato la medicazione ranch aggiungendo microscopiche particelle di vetro acrilico a un'emulsione di goccioline di glicerolo, mescolato in una base di olio.
Come il granello di senape, le particelle di vetro si raccolgono naturalmente sulla superficie delle singole goccioline di glicerolo. A seconda dell'esperimento, da qualche parte tra 100 e 10, 000 particelle ricoprono ogni gocciolina.
Le cariche elettriche positive delle particelle si respingono, inducendoli a disporsi naturalmente in uno schema a nido d'ape, con ogni particella egualmente distante dalle altre sei.
CRISTALLI SFUMATI
Il normale motivo a sei lati non si adatta perfettamente attorno alla goccia sferica più di quanto la confezione regalo di un pallone da calcio si traduca in una copertura di carta perfettamente piatta. Proprio come la carta si increspa quando la si modella sulla superficie della palla, il modello di cristallo curvo genera 12 difetti, o cicatrici, equidistanti intorno alla sfera.
Il numero e la posizione di queste cicatrici è una proprietà strutturale fondamentale prescritta dalla geometria della sfera. Un modello simile può essere visto sulla copertina in pelle del pallone da calcio, che richiede 12 pentagoni a cinque lati (difetti) equamente distanziati all'interno di uno schema generale a sei lati.
Bowick era un membro del team che ha originariamente scoperto questa proprietà di 12 cicatrici dei cristalli curvi nel 2003. Successivamente, si chiese cosa sarebbe successo se avessero aggiunto una particella in più, chiamato interstiziale, proprio nel mezzo del cristallo.
"Anche se le particelle si sono auto-organizzate in uno schema cristallino, sono ancora liberi di dimenarsi all'interno di quella struttura, " Disse Bowick. "Ti aspetteresti che una particella aggiuntiva possa semplicemente allontanare leggermente le altre e stabilirsi sul posto, come su una superficie piana."
Il risultato sarebbe un modello difettoso contenente un'area di forme a sette e cinque lati, piuttosto che i regolari esagoni a sei lati. Ma ciò che Bowick e colleghi hanno previsto utilizzando modelli al computer è che su una superficie curva, una particella in più aggiunta a metà tra due cicatrici creerebbe un difetto nel disegno che si divide in due parti.
Hanno calcolato che la deformazione sulla struttura cristallina causata da questi due difetti "fluisse" lontano dal sito, come increspature su uno stagno, mentre le particelle riaggiustano le loro distanze l'una dall'altra. Alla fine i difetti migrerebbero in cicatrici opposte, dove scomparirebbero.
Sorprendentemente, the scientists predicted that the original particle's mass would remain close to where it was placed, and large areas of the hexagonal pattern would have rotated slightly — about 30 degrees. But the original defect would be gone.
To prove this remarkable result experimentally, però, required a special instrument.
MAKING IT WORK
"William Irvine had already begun his beautiful experiments in my lab on colloidal crystals on curved surfaces, " recalled NYU's Chaikin. "The present study came from a conversation that Mark Bowick and I had on a plane coming back from a meeting several years ago. Mark's experiment was a natural extension of William's work."
"For this project, we had to figure out how to add a particle to the curved crystal, while imaging the particles as they shift around in three-dimensional space, " explained Irvine, who is now at UChicago's James Franck Institute. "This makes the experiment considerably more complicated."
Irvine planned to use optical tweezers to grab a microscopic particle from the surrounding emulsion and place it on the surface of a droplet using radiation pressure from a focused laser beam.
"In most experiments, you come in with the laser 'tweezers' using the same lens as you use for imaging the particle, and that's great, because you want to focus the beam on the same plane where you're looking, " Irvine said.
But for this experiment, the laser tweezers and the microscope had to be separated.
"A confocal microscope selects a very thin slice of the object to be imaged, so that one slice is in focus and the rest of the image (before and after) is out of focus, like a photo of a person with their face in focus and the background blurred, " he explained. "In order to create a full three-dimensional image, you move the objective up and down and bring the different slices into focus one at a time."
But moving the lens also moves the laser beam holding the particle.
"In order to hold onto a particle and watch what happens as you gradually bring it to the surface of the droplet, you have to essentially build a second microscope on top of the first one, " Irvine said. "Technically, that's not trivial—you have to get a lot of things to work at the same time."
But once Irvine had designed and built the instrument, the team tested Bowick's predictions and actually created video images showing the defects moving across the crystal surface and disappearing into the scars.
SELF-HEALING GRAPHENE
"The study of crystals on curved surfaces is interesting and important for systems that range from geodesic domes to viruses to Buckyballs, " said Chaikin, referring to symmetric molecules of carbon. "The defect structure and the 'healing' of defects are particularly important in the conductivity, heat and mechanical properties of carbon nanotubes, graphene and similar materials."
Grafene, a two-dimensional sheet of carbon molecules, is a very strong material and a good conductor of electricity.
"There are always going to be defects that will decrease the conductivity of graphene, " said Bowick. "Ultimately, for electronic devices, you want graphene with high conductivity and as pure as possible."
And that's where the researchers' discovery could prove an ideal solution. "You might be able to simply flex a piece of graphene, remove the defects, and improve the conductivity, " Bowick said.
