(Phys.org) —La crescita di film sottili di nanoparticelle in ordine, lastre cristalline, per realizzare qualsiasi cosa, dai componenti microelettronici alle celle solari, sarebbe un vantaggio per i ricercatori sui materiali, ma la fisica è complicata perché le particelle di quelle dimensioni non formano i cristalli come fanno i singoli atomi.

Usando particelle più grandi come modelli, i fisici hanno previsto alcune proprietà insolite della crescita dei cristalli di nanoparticelle, in particolare, che alcune particelle, a causa delle loro dimensioni e delle forze attrattive tra di loro, crescere cristalli che si sciolgono quando si raffreddano.

Uno studio condotto da John Savage, ex associato post-dottorato nel laboratorio di Itai Cohen, professore associato di fisica, ha mostrato che i cristalli colloidali, che si formano da particelle sospese nel fluido, può esibire questo strano fenomeno di fusione fredda. Lo studio è stato pubblicato online il 20 maggio in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Di solito le persone coltivano cristalli di materiali diversi, come il comune arseniuro di gallio semiconduttore, come fogli stratificati di atomi fortemente legati. I cristalli colloidali sono diversi; si formano quando le particelle colloidali sospese in un fluido si autoassemblano in schiere.

Per far sì che i colloidi di dimensioni micron formino cristalli, i ricercatori hanno introdotto particelle di dimensioni nanometriche nel fluido, che competono con i colloidi più grandi per lo spazio e finiscono per spingere insieme i colloidi, ma solo quando la distanza tra loro è minore delle nanoparticelle. Poiché questa attrazione deriva dall'energia termica dei movimenti delle nanoparticelle, anche i legami tra le particelle colloidali sono relativamente deboli.

Questi a corto raggio, debole attrazione tra le particelle, al contrario dei forti legami atomici, mostrano alcuni comportamenti sorprendenti. Per esempio, Cohen ha detto, in soluzione le particelle sono in grado di sentirsi reciprocamente solo quando sono a meno di una nanoparticella l'una dall'altra. Ma se le particelle colloidali riposano su un substrato di particelle, che fissa la distanza tra loro, allora la gamma dell'interazione può aumentare drammaticamente.

Hanno scoperto che le particelle del substrato mantengono i colloidi legati in modo lasco abbastanza a lungo da poterli spingere e interagire con i loro vicini nel piano, ma solo una volta ogni tanto. Effettivamente, sembra che le particelle stiano formando legami con i loro vicini nel piano, anche se lo fanno solo a volte.

"Ciò consente ai vicini nel piano di formare cristalli debolmente legati la cui spaziatura tra le particelle è molto più ampia di quanto ci si aspetterebbe fosse possibile, data la natura a corto raggio dell'interazione, " Ha detto Cohen.

Quando hanno abbassato la temperatura in modo che i legami tra le particelle fossero più forti della loro energia termica, le particelle urtavano di meno. Di conseguenza, si sono seduti più in profondità nel pozzo formato dalle particelle di substrato e hanno interagito con i loro vicini nel piano meno frequentemente.

Il risultato, Cohen ha detto, è che i colloidi non erano più in grado di formare legami nel piano che possono tenere insieme il cristallo, così le particelle possono diffondersi e il cristallo si dissolve o si scioglie. "È questo strano effetto, "Cohen ha detto, "dove il cristallo si scioglie dopo il raffreddamento."

Questi risultati potrebbero aiutare i ricercatori sui materiali ad adattare la crescita di cristalli composti da nanoparticelle – dove si verificano effetti simili – per nuove applicazioni nell'elettronica o nei materiali energetici.

Lo studio, "Formazione di cristalli guidata dall'entropia su substrati altamente sollecitati, " è stato sostenuto dalla King Abdullah University of Science and Technology e dalla National Science Foundation.