Tre anni fa, quando Richard Robinson, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali, era in anno sabbatico all'Università Ebraica in Israele, ha chiesto a uno studente laureato di inviargli alcune nanoparticelle di una dimensione specifica.

"Quando sono arrivati ​​a me, Li ho misurati con lo spettrometro e ho detto, 'Aspettare, mi hai mandato le particelle più piccole invece di quelle più grandi». E lui ha detto, 'No, ti ho mandato quelli più grandi, '" ricorda Robinson, della sua conversazione con il suo consigliere Curtis Williamson, uno studente di dottorato in ingegneria chimica e biomolecolare. "Ci siamo resi conto che devono essere cambiati mentre erano in volo. E questo ha scatenato una cascata di domande ed esperimenti che ci hanno portato a questa nuova scoperta".

Dedussero che le particelle si erano trasformate durante il loro viaggio da Itaca a Gerusalemme. Questa realizzazione ha portato alla scoperta dell'isomerizzazione inorganica, in cui i materiali inorganici sono in grado di passare da uno stato discreto all'altro quasi istantaneamente, più velocemente della velocità del suono. La scoperta colma il divario tra ciò che è noto sui cambiamenti di fase nelle molecole organiche, come quelli che rendono possibile la vista, e in materiali sfusi, come la transizione della grafite in diamanti.

La loro scoperta è stata sorprendente perché implicava che i materiali inorganici potessero trasformarsi come molecole organiche, disse Robinson, coautore dell'articolo, "Isomerizzazione chimicamente reversibile di cluster inorganici, " che ha pubblicato il 15 febbraio in Scienza .

"Abbiamo scoperto che se riduci il materiale inorganico abbastanza piccolo, può facilmente saltare avanti e indietro tra due fasi discrete, iniziata da piccole quantità di alcol o umidità sulla superficie, " disse Robinson. " Durante il volo ci deve essere stata dell'umidità nel cassone, e i campioni hanno cambiato fase."

Williamson è il primo autore del documento. Gli autori senior sono Robinson; Tobias Hanrath, professore associato presso la Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering; e Uri Banin, professore di chimica all'Università Ebraica. Douglas Nevers, dottorato di ricerca '18, Andrea Nelson, dottorando in scienze e ingegneria dei materiali, e anche Ido Hadar dell'Università Ebraica hanno contribuito.

"Abbiamo collegato i due mondi tra i grandi materiali che cambiano più lentamente, e piccolo, materiali organici che possono girare avanti e indietro in modo coerente, tra due stati, " ha detto Robinson. "È sorprendente che abbiamo visto una trasformazione istantanea da uno stato all'altro in un materiale inorganico, ed è sorprendente che sia iniziato con una semplice reazione superficiale".

Isomerizzazione - la trasformazione di una molecola in un'altra molecola con gli stessi atomi, solo in una disposizione diversa - è di natura comune. Spesso è innescato dall'aggiunta di energia, come quando la luce fa commutare una molecola nella retina, visione abilitante; o come l'olio d'oliva, quando riscaldato troppo alto, isomerizza nella forma malsana nota come grasso trans. Anche i materiali sfusi come la grafite possono cambiare fase, ma richiedono molta più energia che a livello molecolare e il cambiamento avviene più gradualmente, con il cambiamento che si diffonde attraverso la sostanza piuttosto che una trasformazione istantanea.

Nel passato, è stato scoperto che le nanoparticelle più grandi cambiano le fasi in un modo più vicino al modo in cui cambiano i materiali sfusi rispetto alle molecole. Ma quando il team di Cornell ha esaminato ammassi di atomi ancora più piccoli presso la Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS), hanno osservato per la prima volta il rapido cambiamento tra stati discreti.

"Ora vediamo finalmente che c'è un nuovo regime in cui è possibile passare in modo coerente da uno stato all'altro istantaneamente, " disse Hanrath. "Se li fai abbastanza piccoli, i materiali inorganici possono ribaltarsi avanti e indietro molto facilmente. È una rivelazione".

Robinson ha detto che i ricercatori non sarebbero stati in grado di determinare con precisione le posizioni degli atomi senza CHESS, dove hanno eseguito esperimenti di diffusione totale in cui hanno esaminato tutte le dispersioni di raggi X dell'ammasso, consentendo loro di individuare le posizioni degli atomi.

Sono stati anche aiutati da una nuova tecnica che hanno sviluppato per creare cluster di dimensioni magiche, così chiamati perché hanno il numero "perfetto" di atomi e non è possibile aggiungere altri singoli atomi, rendendoli estremamente stabili.

"Siamo stati in grado di creare un ammasso purissimo di dimensioni magiche, " ha detto Robinson. "Per questo motivo, quando reagisce con l'alcol o l'acqua si vede una trasformazione molto pura" da uno stato discreto all'altro.

Sebbene siano necessarie ulteriori ricerche, possibili applicazioni future includono l'utilizzo di queste particelle come interruttori nell'informatica o come sensori, disse Robinson. La scoperta potrebbe anche avere usi relativi all'informatica quantistica o come seme per la generazione di nanoparticelle più grandi.