Een nieuwe studie door onderzoekers van de Waseda University en de University of Tokyo ontdekte dat orbitale ordening in een vanadaatverbinding een duidelijk nucleatie-groeigedrag vertoont.

"Wij geloven dat dit de eerste waarneming in zijn soort is, waar elektronen in een anorganische vaste stof twee zachte fasen creëerden, vergelijkbaar met damp en water, en waar een nucleatie-groeigedrag werd waargenomen vanwege de oppervlaktespanning die tussen de fasen werd gecreëerd, " zegt Takuro Katsufuji, hoogleraar natuurwetenschappen aan de Waseda University en hoofdonderzoeker van deze studie.

De onderzoekers publiceerden hun peer-reviewed bevindingen in Natuurcommunicatie op 11 mei, 2020.

Wanneer waterdamp condenseert, de damp verandert in dauw als waterkernen zich vormen en groeien, overgangsfasen van gas naar vloeistof. Deze vorming en groei van de kernen wordt het nucleatie-groeiproces genoemd, en het komt voor in verschillende soorten faseovergangen.

Hoewel faseovergangen ook voorkomen in vaste stoffen, een nucleatie-groeigedrag is nooit waargenomen tijdens op elektronen gebaseerde faseovergangen in anorganische materialen. De meest waarschijnlijke verklaring is dat er oppervlaktespanning nodig is om dit gedrag te laten plaatsvinden, maar de harde vaste stoffen konden slechts een verwaarloosbare oppervlaktespanning creëren in vergelijking met een bulk elastische energie.

In hun studie hebben Katsufuji en zijn team gebruikten de vanadaatverbinding BaV ₁₀ O ₁₅ , een oxide met vanadium en barium. Eerder, ze vonden dat bij 130K, of ongeveer -140°C, de richting van orbitalen bezeten door de elektronen van het vanadium uitlijnen, het triggeren van een faseovergang die bekend staat als orbitale ordening in deze verbinding.

"Dit wetende, wat we in onze recente studie deden, was om vanadium gedeeltelijk te vervangen door titanium, een chemisch element links van vanadium in het periodiek systeem, om de overgangstemperatuur van de orbitale ordening te regelen, Katsufuji legt uit. "We hebben onthuld dat het kiemvormingsproces plaatsvond door de tijdsafhankelijkheid van de elektrische weerstand te meten, magnetische gevoeligheid, en de spanning in de orbitale ordening van dit vanadaat, en ontdekte dat de elektronen twee damp-waterachtige zachte fasen in deze organische vaste stof hadden gecreëerd en dat er oppervlaktespanning was tussen de twee fasen."

Vroeger, methoden om gewenste eigenschappen te verkrijgen met tweefasige coëxistentie in vaste stoffen zijn getest met verschillende materialen en apparaten, maar in de meeste gevallen het was moeilijk om de volumeverhouding en de vormen van de twee fasen te regelen. Echter, verwacht wordt dat voor deze nieuw ontdekte zachte fasen, het regelen van de volumeverhouding en de vormen ervan zou gemakkelijker kunnen worden gedaan. Ook, BaV ₁₀ O ₁₅ staat bekend om zijn uitstekende prestaties als thermo-elektrisch materiaal dat elektriciteit kan opwekken uit temperatuurverschillen, waardoor deze verbinding met twee fasen naast elkaar een aantrekkelijk materiaal is.

Katsufuji voegt toe, "De reden waarom nucleatie-groeiproces plaatsvindt in BaV ₁₀ O ₁₅ is omdat de oppervlaktespanning tussen de twee fasen vrij groot is als gevolg van de koppeling van vrijheidsgraden, orbitalen genaamd, en spins in elektronen. We hopen het onderzoek voort te zetten vanuit het perspectief dat dit een nieuw fenomeen is dat voortkomt uit dergelijke gekoppelde vrijheidsgraden van elektronen."

De onderzoekers zijn van plan verschillende fysieke hoeveelheden van de vanadaatverbinding te meten in een toestand waarin de twee fasen naast elkaar bestaan ​​en begrijpen hoe de fysieke eigenschappen kunnen veranderen en hoe de kenmerken ervan kunnen verbeteren als functioneel materiaal. Verder, BaV ₁₀ O ₁₅ is het eerste materiaal als een anorganische verbinding waar kiemvorming-groeiproces werd waargenomen, maar het zal nodig zijn om uit te zoeken of er andere materialen zijn die kiemvormingsgroeigedrag vertonen.