Het is een materiële wereld, en een extreem veelzijdige bovendien, gezien de meest elementaire bouwstenen - atomen - kunnen met elkaar worden verbonden om verschillende structuren te vormen die dezelfde samenstelling behouden.

Diamant en grafiet, bijvoorbeeld, zijn maar twee van de vele polymorfen van koolstof, wat betekent dat beide dezelfde chemische samenstelling hebben en alleen verschillen in de manier waarop hun atomen zijn verbonden. Maar wat een wereld van verschil die connectiviteit maakt:de eerste gaat in een ring en kost duizenden dollars, terwijl de laatste tevreden moet zitten in een bescheiden potlood.

De anorganische verbinding hafniumdioxide die gewoonlijk in optische coatings wordt gebruikt, heeft eveneens verschillende polymorfen, waaronder een tetragonale vorm met zeer aantrekkelijke eigenschappen voor computerchips en andere optische elementen. Echter, omdat deze vorm alleen stabiel is bij temperaturen boven 3100 graden Fahrenheit - denk aan laaiend inferno - hebben wetenschappers het moeten doen met de meer beperkte monokliene polymorf. Tot nu.

Een team van onderzoekers onder leiding van de scheikundige Beth Guiton van de Universiteit van Kentucky en de scheikundige Sarbajit Banerjee van de Texas A&M University, in samenwerking met de materiaalwetenschapsingenieur Raymundo Arroyave van Texas A&M, heeft een manier gevonden om deze zeer gewilde tetragonale fase bij 1100 graden Fahrenheit te bereiken.

Het onderzoek van het team, vandaag gepubliceerd in Natuurcommunicatie , beschrijft hun observatie van deze spectaculaire atoom-voor-atoom transformatie, waargenomen met behulp van ongelooflijk krachtige microscopen in het Oak Ridge National Laboratory. Nadat eerst monokliene hafniumdioxidedeeltjes waren gekrompen tot de grootte van kleine kristallen nanostaafjes, ze verwarmden ze geleidelijk, aandacht besteden aan de streepjescode-achtige structuur die elke nanostaaf kenmerkt en, vooral, zijn paar nanoschaal, breukvormende strepen die als nulpunt voor de transitie lijken te fungeren.

"In deze studie zien we hoe een kleine metaaloxidestaaf transformeert van één structuur, wat het typische materiaal is dat bij kamertemperatuur wordt aangetroffen, in een andere, gerelateerde structuur meestal niet stabiel onder 3100 graden Fahrenheit, " zei Guiton, die universitair hoofddocent scheikunde is aan het UK College of Arts &Sciences. "Dit is belangrijk omdat het materiaal op hoge temperatuur verbazingwekkende eigenschappen heeft waardoor het een kandidaat is om siliciumdioxide in de halfgeleiderindustrie te vervangen, die is gebouwd op silicium."

De halfgeleiderindustrie vertrouwt al lang op siliciumdioxide als zijn dunne, niet-geleidende laag naar keuze in de kritische opening tussen de poortelektrode - de klep die een transistor aan en uit zet - en de siliciumtransistor. Door deze niet-geleidende laag consequent te verdunnen, kunnen transistors kleiner en sneller worden, maar Guiton wijst erop dat er zoiets bestaat als te dun - het punt waarop elektronen over de barrière beginnen te klotsen, waardoor hun omgeving wordt verwarmd en stroom wordt afgevoerd. Ze zegt dat de meesten van ons dit scenario tot op zekere hoogte hebben gezien en gevoeld (bedoelde woordspeling), bijvoorbeeld, terwijl we video's op onze telefoons bekijken en de batterij tegelijkertijd leegloopt als het apparaat in onze handpalm merkbaar begint op te warmen.

Naarmate computerchips kleiner worden, sneller en krachtiger, hun isolerende lagen moeten ook veel robuuster zijn - momenteel een beperkende factor voor halfgeleidertechnologie. Guiton zegt dat deze nieuwe fase van hafnia een orde van grootte beter bestand is tegen toegepaste velden.

Als het gaat om het bekijken van de structurele overgang van hafnia tussen zijn traditionele monokliene toestand en deze commercieel wenselijke tetragonale fase bij bijna kamertemperatuur, Banerjee zegt dat het niet anders is dan populaire televisie, in het bijzonder, de "Hall of Faces" in de HBO-show "Game of Thrones".

"In essentie, we hebben in realtime kunnen kijken, atoom voor atoom, als hafnia wordt getransformeerd naar een nieuwe fase, net zoals Arya Stark een nieuw gezicht aantrekt, Banerjee zei. "De nieuwe fase van hafnia heeft een veel hogere 'k'-waarde die zijn vermogen om lading op te slaan vertegenwoordigt, waardoor transistors heel snel kunnen werken terwijl ze alleen maar aan stroom nippen in plaats van het te ondermijnen. De strepen blijken heel belangrijk te zijn, want daar begint de overgang als de hafnia zijn strepen verliest."

Arroyave crediteert realtime informatie op atomaire schaal om de groep in staat te stellen erachter te komen dat de transformatie op nanoschaalniveaus op een heel andere manier plaatsvindt dan binnen de macroscopische deeltjes die resulteren in de monokliene vorm van hafnia. Het feit dat het in de eerste plaats op nanoschaal is, is waarom hij zegt dat de overgang plaatsvindt op, of veel dichter bij, kamertemperatuur.

"Door synthese op nanoschaal, de 'hoogte' van de energiebarrière die de twee vormen scheidt, is gekrompen, waardoor het mogelijk is om tetragonale hafnia waar te nemen bij veel lagere temperaturen dan normaal, " zei Arroyave. "Dit wijst op strategieën die kunnen worden gebruikt om een ​​groot aantal nuttige vormen van materialen te stabiliseren die een breed scala aan functionaliteiten en bijbehorende technologieën mogelijk maken. Dit is slechts één voorbeeld van de enorme mogelijkheden die er zijn als we de ruimte van 'metastabiele' materialen gaan verkennen."

Banerjee zegt dat deze studie een manier suggereert om de tetragonale fase bij werkelijke kamertemperatuur te stabiliseren - wat hij opmerkt dat zijn groep vorig jaar eerder via een andere methode heeft bereikt - en grote implicaties voor snelle, transistors met een laag stroomverbruik die de stroom kunnen regelen zonder stroom te trekken, snelheid verminderen of warmte produceren.

"De mogelijkheden zijn eindeloos, inclusief nog krachtigere laptops die niet warm worden en op stroom van hun batterijen nippen en smartphones die 'kalm blijven en doorgaan, '" zei Banerjee. "We proberen dezelfde trucs toe te passen op andere polymorfen van hafniumdioxide en andere materialen - door andere fasen te isoleren die niet gemakkelijk worden gestabiliseerd bij kamertemperatuur, maar die ook vreemde en wenselijke eigenschappen kunnen hebben."