Drie jaar geleden, toen Richard Robinson, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek, was op sabbatical aan de Hebreeuwse Universiteit in Israël, hij vroeg een afgestudeerde student om hem wat nanodeeltjes van een bepaalde grootte te sturen.

"Toen ze bij mij kwamen, Ik heb ze gemeten met de spectrometer en ik zei:'Wacht, je hebt me de kleinere deeltjes gestuurd in plaats van de grotere.' En hij zei, 'Nee, Ik heb je de grotere gestuurd, '" herinnert Robinson zich, van zijn gesprek met zijn adviseur Curtis Williamson, een doctoraatsstudent in chemische en biomoleculaire engineering. "We realiseerden ons dat ze tijdens de vlucht veranderd moesten zijn. En dat ontketende een cascade van vragen en experimenten die ons tot deze nieuwe bevinding leidden."

Ze concludeerden dat de deeltjes waren getransformeerd tijdens hun reis van Ithaca naar Jeruzalem. Dit besef leidde tot de ontdekking van anorganische isomerisatie, waarin anorganische materialen bijna ogenblikkelijk kunnen schakelen tussen discrete toestanden - sneller dan de snelheid van het geluid. De bevinding overbrugt de kloof tussen wat bekend is over faseveranderingen in organische moleculen, zoals diegene die het gezichtsvermogen mogelijk maken, en in bulkmaterialen, zoals de overgang van grafiet naar diamant.

Hun vondst was verrassend omdat het impliceerde dat anorganische materialen kunnen transformeren zoals organische moleculen, zei Robinson, co-auteur van het artikel, "Chemisch omkeerbare isomerisatie van anorganische clusters, " die op 15 februari gepubliceerd werd in Wetenschap .

"We ontdekten dat als je anorganisch materiaal klein genoeg laat krimpen, het kan gemakkelijk heen en weer springen tussen twee discrete fasen, veroorzaakt door kleine hoeveelheden alcohol of vocht op het oppervlak, "Zei Robinson. "Tijdens de vlucht moet er vocht in de laadbak zijn geweest, en de monsters veranderden van fase."

Williamson is de eerste auteur van de krant. Senior auteurs zijn Robinson; Tobias Hanrath, universitair hoofddocent aan de Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering; en Uri Banin, hoogleraar scheikunde aan de Hebreeuwse Universiteit. Douglas Nevers, doctoraat '18, Andries Nelson, doctoraatsstudent in materiaalkunde en techniek, en Ido Hadar van de Hebreeuwse Universiteit droegen ook bij.

"We hebben de twee werelden overbrugd tussen grote materialen die langzamer veranderen, en klein, organische materialen die coherent heen en weer kunnen bladeren, tussen twee staten, Robinson zei. "Het is verrassend dat we een onmiddellijke transformatie van de ene toestand naar de andere zagen in een anorganisch materiaal, en het is verrassend dat het wordt gestart met een eenvoudige oppervlaktereactie."

Isomerisatie - de transformatie van een molecuul in een ander molecuul met dezelfde atomen, alleen in een andere opstelling - is gebruikelijk in de natuur. Vaak wordt het aangewakkerd door de toevoeging van energie, zoals wanneer licht ervoor zorgt dat een molecuul in het netvlies schakelt, visie mogelijk maken; of hoe olijfolie, bij te hoge verwarming, isomeriseert in de ongezonde vorm die bekend staat als een transvet. Bulkmaterialen zoals grafiet kunnen ook van fase veranderen, maar ze hebben veel meer energie nodig dan op moleculair niveau en de verandering vindt geleidelijker plaats, waarbij de verandering zich over de substantie verspreidt in plaats van een onmiddellijke transformatie.

Vroeger, grotere nanodeeltjes bleken van fase te veranderen op een manier die dichter bij de verandering van bulkmaterialen lag dan bij moleculen. Maar toen het Cornell-team naar nog kleinere clusters van atomen keek bij de Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS), ze observeerden voor het eerst de snelle verandering tussen discrete toestanden.

"We zien nu eindelijk dat er een nieuw regime is waar je onmiddellijk coherent van de ene staat naar de andere kunt schakelen, "Zei Hanrath. "Als je ze klein genoeg maakt, de anorganische materialen kunnen heel gemakkelijk heen en weer klappen. Het is een openbaring."

Robinson zei dat de onderzoekers niet in staat zouden zijn geweest om de posities van atomen nauwkeurig te bepalen zonder CHESS, waar ze totale verstrooiingsexperimenten uitvoerden waarin ze alle röntgenverstrooiingen van het cluster onderzochten, waardoor ze de locaties van de atomen kunnen bepalen.

Ze werden ook geholpen door een nieuwe techniek die ze ontwikkelden om clusters van magische grootte te creëren - zo genoemd omdat ze het "perfecte" aantal atomen hebben en er geen individuele atomen meer kunnen worden toegevoegd. waardoor ze extreem stabiel zijn.

"We waren in staat om een ​​zeer zuivere, magische cluster te bedenken, "Zei Robinson. "Daarom, wanneer het reageert met de alcohol of het water zie je een zeer zuivere transformatie "van de ene discrete toestand naar de andere.

Hoewel verder onderzoek nodig is, mogelijke toekomstige toepassingen zijn onder meer het gebruik van deze deeltjes als schakelaars in computers of als sensoren, zei Robinson. De ontdekking kan ook worden gebruikt met betrekking tot kwantumcomputers of als een zaadje voor het genereren van grotere nanodeeltjes.