De overgang van ongestructureerde amorfe materialen naar gestructureerde kristallijne materialen wordt in het algemeen geïnduceerd door materialen boven hun overgangstemperatuur te verhitten. Kristallijne materialen zijn belangrijk in technologie zoals apparaten, dus alternatieve manieren om hun vorming te beheersen hebben veel belangstelling getrokken van materiaalwetenschappers. Onderzoekers hebben ontdekt dat kristallisatie kan worden vergemakkelijkt bij een lagere temperatuur dan de traditionele overgangstemperatuur als een amorf materiaal met een bepaalde frequentie wordt geroerd. Dus, agitatie is een mogelijk alternatief voor temperatuur voor het regelen van de kristallisatie van materialen.

Een team van de Universiteit van Osaka besloot de relatie tussen de agitatie en kristallisatie van amorfe vaste stoffen te verduidelijken. Om hun onderzoek te ondersteunen, ze gebruikten een colloïdaal (kleine deeltjes) systeem om atomaire materialen te modelleren omdat de grotere deeltjesgrootte en relaxatietijd van colloïden, vergeleken met die van atomen, hun meting te vergemakkelijken.

"We maakten colloïdale glazen van silicabolletjes in oplossing en oscilleerden ze vervolgens op verschillende frequenties, " legt eerste auteur Nobutomo Nakamura uit. "Vervolgens observeerden we de resulterende structuur door confocale laser scanning microscopie."

De groep identificeerde een specifieke frequentie waarbij de kristallisatie van hun systeem werd versneld. Ze bepaalden de mate van kristallisatie in het systeem dat bij verschillende frequenties werd geagiteerd door de parameter voor de oriëntatie van de lokale binding te meten. De waarde van deze parameter nam aanzienlijk toe, wijst op een hogere kristallisatiegraad, alleen wanneer het systeem werd bewogen met een frequentie van ongeveer 75 Hz.

"Onze resultaten gaven aan dat er een specifieke vibratiemodus is die de kristallisatie van het colloïde vergemakkelijkt, ' zegt Nakamura.

De onderzoekers bevestigden vervolgens dat de frequentie waarmee kristallisatie optreedt, veranderde afhankelijk van de interactie tussen deeltjes in het systeem. Ze voegden een polymeer toe aan het systeem om de interactiekracht tussen deeltjes te veranderen, waardoor de kristallisatiefrequentie toenam. Het team kon hun bevindingen verklaren door de kristallisatiefrequentie te relateren aan de tijdschaal van de vibratiebeweging van de deeltjes. Ze stelden voor dat agitatie van het systeem met een frequentie die overeenkwam met de beweging van deeltjes die een kristallijne structuur vormen, hun collectieve beweging hielp en dus de kristallisatie versnelde.

Deze bevindingen laten zien dat het mogelijk is om de kristallisatie van amorfe systemen te regelen door te roeren met een specifieke frequentie in plaats van te verwarmen boven hun overgangstemperatuur. Dit kan de vorming van kristallijne materialen bij een lagere temperatuur mogelijk maken, die nuttig zal zijn bij de fabricage van apparaten.