Heb je de uitdrukking 'vorm volgt functie' gehoord? In de materiaalkunde, functie volgt vorm.

Nieuw onderzoek door Olivier Gagné van Carnegie en medewerker Frank Hawthorne van de Universiteit van Manitoba categoriseert de oorzaken van structurele asymmetrie, sommige verrassend, die de nuttige eigenschappen van kristallen ondersteunen, inclusief ferro-elektriciteit, fotoluminescentie, en fotovoltaïsche capaciteit. Hun bevindingen worden deze week gepubliceerd als een hoofdartikel in de International Union of Crystallography Journal .

"Begrijpen hoe verschillende bindingsarrangementen verschillende nuttige eigenschappen overbrengen, staat centraal in de materiaalwetenschappen", legt Gagné uit. "Voor dit project we waren vooral geïnteresseerd in wat variaties in bindingslengtes betekenen voor de meest opwindende eigenschappen van een materiaal, en hoe je een raamwerk voor hun optimalisatie kunt creëren."

Dit was de vijfde en laatste aflevering in een reeks artikelen van Gagné en Hawthorne die de variabiliteit in bindingslengtes van kristallijne structuren onderzochten. Deze keer concentreerden ze zich op verbindingen die bestaan ​​uit zuurstof en elementen uit de categorie overgangsmetalen.

Stel je het periodiek systeem voor. De overgangsmetalen vormen het centrale blok en vormen een brug die de hogere torens van elementen aan de linker- en rechterkant met elkaar verbindt.

Zoals alle metalen, ze kunnen een elektrische stroom geleiden. Ze hebben ook een enorm scala aan chemische en fysische eigenschappen, inclusief de emissie van zichtbaar licht, maakbaarheid, en magnetisme. Veel, zoals goud, platina, en zilver worden gewaardeerd om hun waarde. anderen, inclusief ijzer, nikkel, koper, en titanium zijn cruciaal voor gereedschappen en technologieën.

Het vermogen van de overgangsmetalen om een ​​verscheidenheid aan bruikbare verbindingen te vormen, is grotendeels te danken aan de specifieke driedimensionale configuratie van hun elektronen. Als zodanig, de bindingen die ze vormen in verbindingen kunnen wijdverbreid asymmetrisch zijn. Maar Gagné en Hawthorne wilden weten of er andere oorzaken voor variatie in de lengte van de obligaties in het spel waren.

"Het is een eeuwenoud probleem", legt Gagné uit. "Mensen als Linus Pauling en Victor Goldschmidt maakten van dit onderwerp een van hun belangrijkste onderzoeksinteresses; de gegevens waren er toen gewoon niet."

Gagné en Hawthorne analyseerden gegevens over de bindingslengtes van 63 verschillende overgangsmetaalionen gebonden aan zuurstof in 147 configuraties van 3, 814 kristalstructuren en ontwikkelde twee nieuwe indices voor het contextualiseren van asymmetrische binding.

"Deze indices stellen ons in staat om de verschillende redenen aan te wijzen die ten grondslag liggen aan asymmetrische bindingsarrangementen, waardoor we hopelijk de eigenschappen kunnen benutten die ze overbrengen bij het voorspellen en synthetiseren van nieuwe materialen, ' legde Hawthorne uit.

Tot hun verbazing, ze ontdekten dat de interne structuur van kristallen vaak spontaan vervormt als enige functie van de connectiviteit van het bindingsnetwerk, een effect dat ze laten zien, komt vaker voor dan vervorming veroorzaakt door elektronische effecten of andere factoren.

"We vermoedden dat enige variatie in bindingslengte voortkwam uit kristalstructuurcontroles, maar we hadden niet verwacht dat het de primaire factor zou zijn die ten grondslag ligt aan de variatie in bindingslengte in anorganische vaste stoffen, " legde Gagné uit. "Het is een mechanisme dat volledig gescheiden is en niet wordt verklaard door de huidige noties van vastestofchemie; dat is over het hoofd gezien sinds de begindagen van de kristallografie."