Geloof het of niet, staal heeft iets gemeen met bacteriële aanhangsels:ze kunnen allebei een speciaal soort fysieke transformatie ondergaan die raadselachtig blijft. Nutsvoorzieningen, onderzoekers uit Japan en China hebben directe microscopische waarnemingen gebruikt om meer duidelijkheid te scheppen over hoe deze transformatie plaatsvindt.

In een recent gepubliceerd onderzoek in Natuurcommunicatie , onderzoekers van het University of Tokyo Institute of Industrial Science en Fudan University Department of Physics hebben voorheen onbekende fysieke details onthuld die kristallijne vaste-naar-vaste fase-overgangen in zachte materialen ondersteunen, en mogelijk hoe onderzoekers de eigenschappen van geavanceerde materialen beter kunnen benutten.

Een speciaal type vaste-naar-vaste faseovergang, bekend als een martensitische overgang, is een opwindende grens in de geneeskunde, technologie, en andere velden. De martensitische overgang wordt mogelijk gemaakt door een gecoördineerde beweging van atomen in een materiaal, die de eigenschappen van het materiaal verandert zonder de chemische samenstelling ervan te veranderen. Metaallegeringen en eiwitten kunnen beide deze overgang ondergaan. Onderzoekers veronderstellen dat in gemakkelijk vervormbare zachte materialen, de overgang kan anders verlopen dan bij harde materialen met stabiele defecten. Momenteel, deze hypothese is moeilijk te testen, iets wat de onderzoekers wilden aanpakken.

"Traditioneel, het was een uitdaging om het dynamische proces van martensitische overgangen in zachte materialen microscopisch te observeren op een enkel-deeltjesniveau, " zegt mede-senior auteur van de studie Hajime Tanaka. "Men moet een middel bedenken om dit te doen op een manier die snel de overgang initieert zonder schadelijke verstoring van het systeem."

Om dit te doen, de onderzoekers gebruikten een zachte techniek die bekend staat als ionenuitwisseling - in principe dezelfde methode die wordt gebruikt om calcium- en magnesiumionen uit water te verwijderen - om de kristalstructuur van polymere microdeeltjes snel te veranderen. Men kan de kinetiek van de resulterende martensitische overgangen observeren met een microscoop met resolutie van één deeltjes.

"De resultaten van de microscopie waren ondubbelzinnig, " legt Peng Tan uit, co-senior auteur van de studie. "We hebben drie voorheen onbekende mechanismen waargenomen waarmee op het lichaam gecentreerde kubische zachte colloïdale kristallen worden gevormd uit op het gezicht gecentreerde kubieke kristallen, afhankelijk van de toestand."

De onderzoekers onderzochten de kenmerken van deze routes - thermisch geactiveerde in-grain nucleatie genoemd, korrelgrens-voorsmelten-geassisteerde kiemvorming, en muurondersteunde groei - met bijzondere aandacht voor hoe de energiebarrière voor de overgang in elk geval wordt verminderd.

"Zachtheid van een kristal speelt een cruciale rol bij thermisch geactiveerde kiemvorming in de korrel, " legt Tanaka uit. "Terwijl, de andere twee routes kunnen zelfs in harde materialen voorkomen."

Deze resultaten hebben diverse toepassingen. Bijvoorbeeld, sommige geneesmiddelen kunnen hun beschikbaarheid in het lichaam veranderen door overgangen van vaste naar vaste fase; daarom, begrijpen hoe te controleren wanneer en waar dergelijke overgangen plaatsvinden, zou een nieuwe manier kunnen zijn voor gerichte medicijnafgifte. Een beter begrip van de fysieke mechanismen van transformaties van vast naar vast ondersteunt de ontwikkeling van nieuwe materialen die kunnen worden aangepast voor toepassingen.