Wetenschappers aan de Lehigh University, in samenwerking met het Lawrence Berkeley National Laboratory, hebben de fabricage aangetoond van wat zij een nieuwe klasse van kristallijne vaste stoffen noemen door gebruik te maken van een laserverwarmingstechniek die atomen ertoe aanzet zich te organiseren in een roterend rooster zonder de macroscopische vorm van de vaste stof te beïnvloeden.

Door de rotatie van het kristalrooster te regelen, de onderzoekers zeggen dat ze een nieuw type synthetische eenkristallen en "bio-geïnspireerde" materialen kunnen maken die de structuur van speciale biomineralen en hun superieure elektronische en optische eigenschappen ook nabootsen.

De groep rapporteerde haar bevindingen vandaag (3 november) in Wetenschappelijke rapporten , een natuurjournaal, in een artikel met de titel "Rotating lattice single crystal architecture on the surface of glass." De hoofdauteur van het artikel is Dmytro Savytskii, een onderzoekswetenschapper in de afdeling materiaalkunde en engineering van Lehigh.

De andere auteurs zijn Volkmar Dierolf, onderscheiden professor en voorzitter van de afdeling natuurkunde in Lehigh; Himanshu Jain, de TL Diamond Distinguished Chair in Engineering and Applied Science en hoogleraar materiaalkunde en engineering aan Lehigh; en Nobumichi Tamura van het Lawrence Berkeley National Lab in Berkeley, Californië.

De ontwikkeling van de roterende rooster enkele (RLS) kristallen volgt op een ontdekking die in maart in . werd gemeld Wetenschappelijke rapporten waarin de Lehigh-groep voor het eerst aantoonde dat een enkel kristal uit glas kon worden gekweekt zonder het glas te smelten.

In een typische kristallijne vaste stof, atomen zijn gerangschikt in een rooster, een regelmatig herhalend of periodieke driedimensionale structuur. Vanuit elke hoek bekeken, van links naar rechts, omhoog en omlaag, van voren naar achteren - een kristalspecifieke periodiciteit wordt duidelijk. Glas, daarentegen, is een amorf materiaal met een ongeordende atomaire structuur.

Omdat ze geen korrelgrenzen hebben tussen onderling verbonden kristallen, monokristallijne materialen hebben vaak uitzonderlijke mechanische, optische en elektrische eigenschappen. Eenkristallen geven diamanten hun glans en straalturbinebladen hun weerstand tegen mechanische krachten. En het eenkristal van silicium waarvan een siliciumchip is gemaakt, geeft het superieure geleidende eigenschappen die de basis vormen voor micro-elektronica.

de periodiciteit, of herhalend patroon, in een roterend rooster eenkristal, zeiden Jain en Dierolf, verschilt van de periodiciteit in een typisch eenkristal.

"We hebben ontdekt dat wanneer we een kristal uit glas laten groeien, " zei Jaïn, "de periodiciteit resulteert niet op de een of andere manier. In één richting, het ziet er perfect uit, maar als je het rooster draait en er vanuit een andere hoek naar kijkt, je ziet dat de hele structuur draait."

"In een typisch eenkristalmateriaal, " zei Dierolf, "Als ik eenmaal weet hoe het patroon zich herhaalt, dan, als ik de exacte locatie van één atoom weet, Ik kan de exacte locatie van elk atoom voorspellen. Dit is alleen mogelijk omdat eenkristallen een langeafstandsvolgorde hebben.

"Als we een RLS-kristal uit glas laten groeien, echter, we hebben ontdekt dat de periodiciteit niet op de een of andere manier resulteert. Om de locatie van elk atoom te voorspellen, Ik moet niet alleen de precieze locatie van een bepaald atoom weten, maar ook de rotatiehoek van het rooster.

"Dus, we moeten de leerboekdefinitie van eenkristallen enigszins wijzigen."

de rotatie, zei Jaïn, komt voor op atomaire schaal en heeft geen invloed op de vorm van het glasmateriaal. "Alleen de reeks atomen buigt, niet het hele materiaal. We kunnen de buiging van het kristalrooster zien met röntgendiffractie."

Om deze rotatie te bereiken, de onderzoekers verwarmen een heel klein deel van het oppervlak van een massief glasmateriaal met een laser, waardoor de atomen flexibeler worden.

"De atomen willen zich in een rechte lijn rangschikken, maar het omringende glas laat dit niet toe, "zei Jain. "In plaats daarvan, het glas, volledig solide zijn, dwingt de configuratie van de atomen te buigen. De atomen bewegen en proberen zich te organiseren in een kristallijn rooster, idealiter in een perfect eenkristal, maar dat kunnen ze niet omdat het glas de vorming van het perfecte kristal verhindert en de atomen dwingt zich in een roterend rooster te rangschikken. Het mooie is dat de rotatie soepel verloopt op de micrometerschaal.

"Onze laser legt een zekere mate van asymmetrie op de groei van het kristal. We controleren de asymmetrie van de verwarmingsbron om dit rotatiepatroon op de atomen op te leggen."

Het vermogen van de groep om de hoeveelheid verwarming te regelen is van cruciaal belang voor de vorming van het roterende rooster, zei Jaïn.

"De sleutel tot het creëren van het roterende atoomrooster is dat het plaatsvindt zonder het glas te smelten. Smelten geeft te veel vrijheid van atomaire beweging, waardoor het onmogelijk is om de organisatie van het rooster te controleren.

"Onze subtiele manier om het glas te verwarmen, overwint dit. We verwarmen alleen het oppervlak van het glas, niet binnen. Dit is heel precies, zeer lokale verwarming. Het veroorzaakt slechts een beperkte beweging van de atomen, en het stelt ons in staat om te bepalen hoe het atoomrooster zal buigen."

Roterende roosters zijn waargenomen in bepaalde biomineralen in de oceaan, zeiden Jain en Dierolf, en het kan ook op zeer kleine schaal voorkomen in sommige natuurlijke mineralen als sferulieten.

"Maar niemand had dit eerder op grotere schaal op een gecontroleerde manier gemaakt, wat we hebben bereikt met het asymmetrische opleggen van een laser om het roterende rooster te veroorzaken, ' zei Jaïn.

"Wetenschappers konden dit fenomeen eerder niet begrijpen omdat ze het niet op een voldoende grote schaal konden waarnemen. Wij zijn de eerste groep die dit met een laser op een effectief onbeperkte dimensie heeft laten gebeuren."

Jain en Dierolf en hun groep plannen verdere studies om hun vermogen om de ordening van de atomen te manipuleren te verbeteren.

De onderzoekers voerden de laserverwarming van het glas uit in Lehigh en karakteriseerden het glas met microröntgendiffractie op een synchrotron in het Lawrence Berkeley National Lab. Ze zijn van plan om verdere karakterisering uit te voeren in Berkeley en met elektronenmicroscopie in Lehigh.

Het project wordt voor zes jaar gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie.

"Dit is een nieuwe manier om eenkristallen te maken, " zei Dierolf. "Het opent een nieuw veld door een materiaal te creëren met unieke, nieuwe eigenschappen."