Sommige organische kristallen springen rond bij verhitting. Dit gebeurt vanwege een extreem snelle verandering in hun kristalstructuur. In het journaal Angewandte Chemie , wetenschappers hebben nu aangetoond dat de kristallen tijdens dit proces akoestische signalen uitzenden, die nuttig kunnen zijn bij het analyseren van de kenmerken van dit fenomeen. De onderzoekers toonden aan dat dit proces analoog is aan martensitische overgangen die worden waargenomen in staal en sommige legeringen.

Martensiet is een vorm van staal gemaakt door austeniet te blussen, en geeft zijn naam aan een bepaald type faseovergang. Door de snelle afkoeling van het austeniet kunnen de atomen niet hun voorkeursstructuur aannemen bij de lagere temperatuur. In plaats daarvan, ze bewegen samen om het martensietrooster te vormen. In springkristallen, een groot aantal atomen verandert ook hun roosterposities in overleg. De hoge snelheid van dit fenomeen en het feit dat de kristallen vaak exploderen hebben het voorheen onmogelijk gemaakt om deze theorie te bewijzen, de details begrijpen, en gebruik maken van dit thermosalient effect, zoals het bekend is. Het vermogen van de hoppende kristallen om zeer snel warmte om te zetten in beweging of werk is potentieel nuttig voor de ontwikkeling van kunstmatige spieren of microschaal robotarmen.

Uitgaande van de veronderstelling dat het plotseling vrijkomen van de geaccumuleerde elastische spanning in springkristallen resulteert in relatief sterke akoestische golven, vergelijkbaar met seismische golven van een aardbeving, het team van de New York University Abu Dhabi, het Duitse Electron Synchrotron (DESY) in Hamburg, en het Max Planck Instituut voor Solid State Research in Stuttgart gingen aan de slag. Onder leiding van Panče Naumov, de onderzoekers kozen ervoor om kristallen van het plantaardige aminozuur L-pyroglutaminezuur (L-PGA) te bestuderen. Deze springkristallen veranderen hun kristalstructuur bij verhitting tussen 65 en 67 °C; ze keren terug naar hun uitgangsstructuur bij afkoeling tussen 55,6 en 53,8 °C, zoals aangetoond door röntgenkristallografie met synchrotronstraling.

zoals gepostuleerd, de kristallen geven tijdens de overgang duidelijke akoestische signalen af. Deze signalen kunnen worden geregistreerd met een piëzo-elektrische sensor. Het nummer, amplitude, frequentie, en vorm van de signalen gaven de onderzoekers informatie over de dynamiek en het mechanisme van het effect. De intensiteit en energie van de initiële akoestische golf waren significant hoger en de stijgtijd korter dan bij volgende golven. De reden hiervoor is de efficiëntere voortplanting van de elastische golf door het defectvrije medium aan het begin van de faseovergang. Naarmate de overgang vordert, het aantal microfissuren neemt toe, waardoor de elastische spanning afneemt.

De fasegrens tussen de verschillende kristalstructuren vordert met 2,8 m/s in L-PGA, wat duizenden keren sneller is dan andere faseovergangen. Echter, de twee kristalstructuren lijken meer op elkaar dan verwacht. De overgang omvat uitbreidingen in twee dimensies en een krimp in de derde, allemaal in het bereik van slechts 0,5-1,7 procent.

"Onze studie toont aan dat de springende kristallen een klasse van materialen zijn die analoog zijn aan anorganisch martensiet, en dit zou van enorme betekenis kunnen zijn voor toepassingen zoals volledig organische elektronica", zegt Naumov. "Akoestische emissietechnieken geven eindelijk direct inzicht in deze snelle overgangen. Onze resultaten geven aan dat organisch materiaal dat normaal als zacht en broos wordt ervaren, en veel hardere materialen, zoals metalen en metaallegeringen zijn, tenminste op moleculair niveau, niet zo anders. Het onderzoek naar de organische vaste stof zou ons in staat kunnen stellen om de gerelateerde macroscopische effecten beter te begrijpen."