Исследователи меняют наше представление о кристаллах

18 мая 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Кэти Малатино, Политехнический институт Ренсселера

Когда большинство людей думают о кристаллах, они представляют себе ловцов солнца, которые действуют как радужные призмы, или полупрозрачные камни, которые, по мнению некоторых, обладают целительной силой. Однако для ученых и инженеров кристаллы — это форма материалов, в которых их составляющие — атомы, молекулы или наночастицы — упорядоченно расположены в пространстве. Другими словами, кристаллы определяются регулярным расположением их составляющих. Распространенными примерами являются бриллианты, поваренная соль или кубики сахара.

Однако в исследовании, только что опубликованном в журнале Soft Matter, группа под руководством Санву Ли из Политехнического института Ренсселера, доцента кафедры химической и биологической инженерии, обнаружила, что кристаллические структуры не всегда расположены регулярно. Это открытие продвигает область материаловедения и имеет нереализованное значение для материалов, используемых для полупроводников, солнечных панелей и технологий электромобилей.

Одним из наиболее распространенных и важных классов кристаллических структур являются плотноупакованные структуры правильных сфер, построенные путем укладки слоев сфер в сотовую структуру. Существует множество способов укладки слоев для создания плотноупакованных структур, и то, как природа выбирает конкретное расположение слоев, является важным вопросом в исследованиях материалов и физики. В конструкции плотной упаковки существует очень необычная структура с неравномерно расположенными компонентами, известная как случайная упаковка двумерных гексагональных слоев (RHCP). Эта структура была впервые обнаружена на металлическом кобальте в 1942 году, но ее считали переходным и энергетически непредпочтительным состоянием.

Исследовательская группа Ли собрала данные рассеяния рентгеновских лучей на мягких моделях наночастиц, изготовленных из полимеров, и поняла, что данные рассеяния содержат важные результаты о RHCP, но очень сложны. Затем Патрик Андерхилл, профессор кафедры химической и биологической инженерии Ренсселера, провел анализ данных рассеяния с помощью суперкомпьютерной системы, оптимизированной многопроцессорной системы искусственного интеллекта (AiMOS), в Центре вычислительных инноваций.

«Мы обнаружили, что структура RHCP, скорее всего, является стабильной структурой, и это причина того, что RHCP широко наблюдается во многих материалах и природных кристаллических системах», — сказал Ли. «Это открытие бросает вызов классическому определению кристаллов».

Исследование дает представление о явлении, известном как политипизм, который способствует образованию RHCP и других плотноупакованных структур. Представительным материалом с политипизмом является карбид кремния, широко используемый для высоковольтной электроники в электромобилях и в качестве твердых материалов для бронежилетов. Результаты команды Ли показывают, что эти политипические материалы могут иметь непрерывные структурные переходы, включая неклассические случайные расположения с новыми полезными свойствами.

«Проблема того, как упаковываются мягкие частицы, кажется простой, но даже на самые основные вопросы сложно ответить», — сказал Кевин Дорфман из Университета Миннесоты и городов-побратимов, который не связан с этим исследованием. «Эта статья предоставляет убедительные доказательства непрерывного перехода между гранецентрированной кубической (FCC) и гексагональной плотноупакованной (HCP) решетками, что подразумевает наличие стабильной случайной гексагональной плотноупакованной фазы между ними и, таким образом, делает важный прорыв в материаловедении. ."