I risultati rendono la sostanza estranea commercialmente valida

I risultati di un gruppo di ricerca guidato dall’Università del Michigan suggeriscono che una classe di materiali che sembravano poter rivoluzionare tutto, dalle celle solari alle pentole, ma che è caduta in disgrazia nei primi anni 2000, potrebbe essere matura per una rinascita commerciale.

pubblicato in Connessioni con la naturaLo studio dimostra un modo per rendere i quasicristalli molto più grandi di quanto fosse possibile in precedenza, senza i difetti che affliggevano i precedenti produttori e portavano all’esclusione dei quasicristalli come curiosità intellettuale.

“Uno dei motivi per cui l’industria ha rinunciato ai cristalli semicristallini è che sono pieni di difetti”, ha affermato Ashwin Shahani, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali e ingegneria chimica e uno degli autori dell’articolo. “Ma speriamo di riportare i cristalli semicristallini nel mainstream. E questo lavoro suggerisce che si può fare”.

I quasi-cristalli, che hanno una struttura ordinata ma non gli schemi ripetitivi dei cristalli regolari, possono essere sintetizzati con una gamma di proprietà attraenti. Possono essere molto rigidi o molto scivolosi. Possono assorbire calore e luce in modi insoliti e mostrare strane proprietà elettriche, tra una miriade di altre possibilità.

Ma i produttori che per primi hanno commercializzato il materiale hanno presto scoperto un problema, chiamato minuscole crepe tra i cristalli confini del grano, che invita alla corrosione, rendendo i cristalli quasi soggetti a guasti. Da allora lo sviluppo commerciale dei quasicristalli è stato sospeso.

Ma le nuove scoperte del team di Shahani mostrano che in determinate condizioni, piccoli quasicristalli possono scontrarsi e fondersi insieme, formando un grande cristallo senza nessuno dei difetti ai bordi dei grani che si trovano in gruppi di cristalli più piccoli. Shahani spiega che questo fenomeno è stato una sorpresa durante un esperimento progettato per monitorare la composizione della materia.

“I cristalli sembrano guarire da soli dopo l’impatto, trasformando un tipo di difetto in un altro che alla fine scompare completamente”, ha detto. “È insolito, dato che i quasicristalli mancano di periodicità.”

I cristalli iniziano come solidi millimetrici, simili a matite, sospesi in una miscela fusa di alluminio, cobalto e nichel, che il team può monitorare in tempo reale e in 3D utilizzando la tomografia a raggi X. Quando la miscela si raffredda, i piccoli cristalli si scontrano tra loro e si fondono insieme, trasformandosi infine in un unico grande quasicristallo parecchie volte più grande dei quasicristalli costituenti.

Dopo aver osservato il processo all’Argonne National Laboratory, il team lo ha replicato virtualmente Simulazione computerizzata. Eseguendo ogni simulazione in condizioni leggermente diverse, sono stati in grado di determinare le condizioni esatte in cui i cristalli più piccoli si sarebbero fusi in cristalli più grandi. Scoprono, ad esempio, che piccoli cristalli simili a matite devono trovarsi uno di fronte all’altro entro un certo intervallo di allineamento per scontrarsi e fondersi. La simulazione è stata eseguita in laboratorio Sharon Glotzer, il professore della John Werner University si è distinto in ingegneria e un autore simile sulla carta.

“È eccitante che sia gli esperimenti che le simulazioni siano in grado di osservare gli stessi fenomeni che si verificano contemporaneamente e su scale di lunghezza”, ha detto Glotzer. “Le simulazioni possono vedere i dettagli del processo di cristallizzazione che gli esperimenti non riescono a vedere, e viceversa, in modo che solo insieme possiamo capire appieno cosa sta succedendo”.

Sebbene la commercializzazione della tecnologia sia probabilmente lontana anni, i dati di simulazione potrebbero eventualmente rivelarsi utili nello sviluppo di un processo per produrre in modo efficiente grandi quasicristalli in quantità su scala di produzione. Shahani prevede di utilizzare la sinterizzazione, un noto processo industriale in cui i materiali vengono fusi insieme utilizzando calore e pressione. È un obiettivo sfuggente, ma Shahani afferma che il nuovo studio apre una nuova strada per la ricerca che un giorno potrebbe raggiungerlo.

Per ora Shahani e Glotzer stanno lavorando insieme per capirne di più semi-cristallo Difetti, compreso il modo in cui si formano, si muovono e si sviluppano.

Il titolo dell’articolo è “Formazione di quasi cristalli singoli in caso di collisione di più grani”. Il team di ricerca comprende anche il Brookhaven National Laboratory.