In uno studio pubblicato online in Advanced Materials , i primi autori Boyang Zhao, uno studente laureato della USC in scienza dei materiali che lavora con Ravichandran, e Guodong Ren, uno studente laureato che lavora con Mishra presso l'Istituto di scienza e ingegneria dei materiali di WashU, descrivono un nuovo percorso per ottenere nuove proprietà ottiche ed elettroniche dal disordine strutturale .

Hanno scoperto che piccoli spostamenti di pochi picometri – cioè 100.000 volte più piccoli dello spessore di un foglio di carta – nella struttura atomica di un cristallo potrebbero avere impatti minimi sulle proprietà ottiche in una direzione ma produrre enormi miglioramenti funzionali se visti da un’altra direzione. angolo.

In questo caso, l'indice di rifrazione del materiale, o la quantità di luce che si piega o devia dal suo percorso originale quando lo attraversa, è cambiato radicalmente con il disordine atomico.

Tali miglioramenti funzionali potrebbero avere applicazioni pratiche nell’imaging, nel telerilevamento e persino nella medicina. Controllando il grado di disordine atomico per ottenere le proprietà ottiche desiderate, i ricercatori prevedono di sviluppare cristalli che consentano l'imaging a infrarossi avanzato in condizioni di scarsa illuminazione, ad esempio, migliorando le prestazioni dei veicoli autonomi che guidano di notte o dei dispositivi di imaging medico.

"Abbiamo lavorato per anni sui materiali semiconduttori, spostandoci gradualmente verso il basso nella tavola periodica, alla ricerca di materiali che si comportino bene ma che facciano anche cose interessanti o inaspettate", ha affermato Ravichandran, presidente della Philip and Cayley MacDonald Endowed Early Career Chair e professore associato presso la Scuola di Ingegneria di Viterbi presso la USC.

"Quando abbiamo iniziato a cercare modi per ottenere una maggiore adattabilità, per creare materiali ideali per applicazioni specifiche, abbiamo scoperto che le proprietà variavano notevolmente se misurate da direzioni diverse."

Quando i materiali hanno proprietà o comportamenti diversi se misurati o osservati da direzioni diverse, si parla di anisotropia. I materiali anisotropi hanno caratteristiche diverse a seconda di come li guardi e possono avere un enorme impatto su funzionalità tra cui la trasmissione della luce, il comportamento meccanico e altre proprietà fisiche o elettriche fondamentali per il funzionamento dei dispositivi di uso quotidiano come le fotocamere.

Il materiale studiato dal team, solfuro di bario e titanio (BaTiS₃ ), un cristallo esagonale, era già noto per avere una grande anisotropia ottica, ma gli scienziati non riuscivano a capirne il motivo. Ci sono voluti anni di collaborazione continua tra i team di WashU, USC e vari laboratori nazionali, ma alla fine il team ha risolto il caso.

"Stavamo osservando grandi discrepanze tra teoria ed esperimento:illuminare il materiale da diverse angolazioni stava facendo un'enorme differenza nelle proprietà ottiche per ragioni che non erano chiare", ha affermato Mishra, professore associato di ingegneria meccanica e scienza dei materiali all'Università di Los Angeles. McKelvey School of Engineering presso WashU.

"La chiave si è rivelata essere le instabilità strutturali che fanno sì che alcuni atomi, in questo caso gli atomi di Ti, si spostino lontano da posizioni più simmetriche in modo disordinato. Piccoli spostamenti anisotropi si sono manifestati in esperimenti con sincrotrone ad alta risoluzione, quindi abbiamo saputo che osserva più da vicino la struttura atomica utilizzando un microscopio elettronico."

"Gli spostamenti su scala picometrica sono così piccoli che li troverai solo se li cerchi specificatamente", ha aggiunto Ravichandran.

Questo livello di dettaglio di solito non è necessario, nemmeno per la ricerca all’avanguardia nella scienza dei materiali, perché la luce vibra così rapidamente da attenuare le imperfezioni locali di un materiale. Non questa volta.

Ren e Zhao hanno dovuto esaminare ogni ipotesi e ogni parte della teoria per capire come spiegare la discrepanza tra teoria ed esperimento, hanno detto Mishra e Ravichandran, sottolineando che risolvere questo mistero è stato possibile solo attraverso la collaborazione.

Utilizzando una combinazione di tecniche avanzate tra cui la diffrazione di raggi X da cristallo singolo, la risonanza magnetica nucleare allo stato solido e la microscopia elettronica a trasmissione a scansione, i ricercatori hanno trovato prove di spostamenti atomici anisotropi degli atomi di titanio nel BaTiS₃ . Questi spostamenti incredibilmente piccoli, su scala pico, si verificano in cluster locali all'interno del materiale, ma esercitano una profonda influenza sulle proprietà ottiche globali.

"La cosa fondamentale è che piccoli spostamenti possono avere effetti giganteschi", ha detto Mishra. "Stiamo ancora esplorando come fattori come la temperatura potrebbero cambiare le proprietà ottiche di questo materiale, ma con questo studio abbiamo sviluppato una profonda comprensione della relazione tra disordine strutturale e risposta ottica. Ciò ci aiuterà mentre continuiamo a scoprire nuovi materiali e funzionalità. "