I quasicristalli autorigeneranti possono far risorgere le speranze di applicazioni pratiche

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Ingrandire / Visualizzazione della tomografia a raggi X che mostra due quasicristalli mentre iniziano a fondersi durante il raffreddamento. Scienziati dell’Università del Michigan hanno scoperto che i quasicristalli mostrano un fenomeno di autoriparazione che potrebbe ridurre i difetti.

Gruppo Shahani/Università del Michigan

I quasicristalli sono una classe unica di materiali con notevoli promesse per applicazioni pratiche a causa delle loro proprietà insolite. Ma il progresso verso la realizzazione del potenziale commerciale è stato ostacolato dal fatto che i normali processi di produzione dei quasicristalli sono inclini a produrre difetti sotto forma di minuscole crepe tra i cristalli noti come bordi di grano. Un nuovo giornale pubblicato sulla rivista Nature Communications ha scoperto che in determinate condizioni, i quasicristalli possono guarire se stessi, ravvivando potenzialmente l’interesse commerciale per questi materiali.

I primi quasicristalli trovati erano leghe metalliche, solitamente alluminio con uno o più altri metalli. Ciò li ha resi utili per una manciata di applicazioni pratiche, come rivestimenti antiaderenti per padelle e rivestimenti anticorrosivi per apparecchiature chirurgiche. Ma gli scienziati vorrebbero creare quasicristalli più complessi in grado, ad esempio, di manipolare la luce per creare nuovi tipi di mimetizzazione o occultamento.

“Un motivo per cui l’industria ha rinunciato ai quasicristalli è perché sono pieni di difetti”, ha detto il co-autore Ashwin Shahani, uno scienziato dei materiali presso l’Università del Michigan. “Ma speriamo di riportare i quasicristalli nel mainstream. E questo lavoro suggerisce che si può fare”.

Come ho scritto in precedenza, il molto definizione di un cristallo assume un ordinamento esattamente simmetrico degli atomi in schemi periodici che si ripetono più e più volte in un reticolo 3D. I modelli sembrano gli stessi indipendentemente dalla direzione in cui li guardi, ma i quasicristalli sono diversi. Seguono chiaramente regole matematiche, ma ogni cella ha una configurazione leggermente diversa di celle vicine piuttosto che ripetersi in uno schema identico. È quella struttura unica che conferisce ai quasicristalli le loro proprietà insolite.

Pensa alla piastrellatura del pavimento del bagno. Le tessere possono essere solo in determinate forme simmetriche (triangoli, quadrati o esagoni); altrimenti, non saresti in grado di farli combaciare senza lasciare spazi vuoti o tessere sovrapposte. Pentagoni, icosaedri e forme simili con simmetrie diverse che non si ripetono mai con precisione semplicemente non funzioneranno, tranne nel caso dei quasicristalli, dove la natura ha deciso di Potevo opera. Il trucco è riempire le lacune con altri tipi di forme atomiche per creare l’improbabile struttura aperiodica.

Un fisico israeliano di nome Daniel Shechtman ha vinto il Premio Nobel 2011 per la Chimica per la sua scoperta dei quasicristalli nel 1982 in leghe di alluminio rapidamente temprate. Il fisico di Princeton Paul Steinhart ha scoperto il primo conosciuto quasicristalli naturali nel 2008. Nel 2018, chimici alla Brown University ha creato un nuovo tipo di quasicristallo autoassemblante da un singolo tipo di nanoparticella: un punto quantico tetraedrico (a forma di piramide).

Queste nanoparticelle sono anche anisotrope, cioè hanno proprietà diverse a seconda del loro orientamento l’una rispetto all’altra. Quando posti su una superficie liquida, si assemblavano in strutture a 10 lati chiamate decagoni, e questi decagoni a loro volta si univano insieme per formare un reticolo quasi cristallino con una simmetria decuplicata. Ciò che fa funzionare questo sono i bordi flessibili dei decagoni, che può appiattirsi nei punti chiave per trasformarsi in poligoni con cinque, sei, sette, otto o nove lati, qualunque cosa sia necessaria per riempire gli inevitabili spazi tra i decagoni per creare il quasicristallo.

Visualizzazione della topografia a raggi X che mostra una vista laterale di due quasicristalli mentre iniziano a fondersi insieme durante il raffreddamento.
Ingrandire / Visualizzazione della topografia a raggi X che mostra una vista laterale di due quasicristalli mentre iniziano a fondersi insieme durante il raffreddamento.

Gruppo Shahani/Università del Michigan

All’inizio di quest’anno, gli scienziati dell’Università dello Utah dimostrato che le onde ultrasoniche possono essere utilizzate per organizzare le nanoparticelle di carbonio nell’acqua nello stesso modello aperiodico che si trova nei quasicristalli. E a maggio, Steinhardt e diversi colleghi hanno annunciato il scoperta di un quasicristallo precedentemente sconosciuto in trinite rossa dalla prima detonazione di una bomba atomica. Ancora meglio, i ricercatori hanno potuto determinare esattamente dove e come si è formato il quasicristallo grazie ai documenti storici del Progetto Manhattan.

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