Forskere fremstiller en ny klasse af krystallinsk fast stof

Forskere ved Lehigh University, i samarbejde med Lawrence Berkeley National Laboratory, har demonstreret fremstillingen af ​​det, de kalder en ny klasse af krystallinsk fast stof ved hjælp af en laseropvarmningsteknik, der får atomer til at organisere sig til et roterende gitter uden at påvirke den makroskopiske form af faststoffet.

Ved at kontrollere rotationen af ​​det krystallinske gitter, forskerne siger, at de vil være i stand til at lave en ny type syntetiske enkeltkrystaller og "bioinspirerede" materialer, der også efterligner strukturen af ​​specielle biomineraler og deres overlegne elektroniske og optiske egenskaber.

Gruppen rapporterede sine resultater i dag (3. november) i Videnskabelige rapporter , en Nature journal, i en artikel med titlen "Roterende gitter enkelt krystal arkitektur på overfladen af ​​glas." Papirets hovedforfatter er Dmytro Savytskii, en forsker i afdelingen for materialevidenskab og teknik i Lehigh.

De andre forfattere er Volkmar Dierolf, fornem professor og formand for Institut for Fysik i Lehigh; Himanshu Jain, T.L. Diamond Distinguished Chair i teknik og anvendt videnskab og professor i materialevidenskab og teknik i Lehigh; og Nobumichi Tamura fra Lawrence Berkeley National Lab i Berkeley, Californien.

Udviklingen af ​​de roterende gitter single (RLS) krystaller følger en opdagelse rapporteret i marts i Videnskabelige rapporter hvor Lehigh -gruppen for første gang demonstrerede, at en enkelt krystal kunne dyrkes af glas uden at smelte glasset.

I et typisk krystallinsk faststof, atomer er arrangeret i et gitter, en regelmæssig gentagelse, eller periodisk tredimensionel struktur. Set fra enhver vinkel - fra venstre mod højre, op og ned, forside til bagside-en krystalspecifik periodicitet bliver tydelig. Glas, derimod, er et amorft materiale med en uordnet atomstruktur.

Fordi de ikke har korngrænser mellem sammenkædende krystaller, enkeltkrystal materialer har ofte enestående mekanisk, optiske og elektriske egenskaber. Enkeltkrystaller giver diamanter deres glans og jetmølleblade deres modstand mod mekaniske kræfter. Og den eneste krystal af silicium, som en siliciumchip er fremstillet af, giver den overlegne ledende egenskaber, der danner grundlag for mikroelektronik.

Periodiciteten, eller gentaget mønster, i en roterende gitter enkelt krystal, sagde Jain og Dierolf, adskiller sig fra periodiciteten i en typisk enkeltkrystal.

"Vi har fundet ud af, at når vi vokser en krystal ud af glas, "sagde Jain, "periodiciteten resulterer ikke på en eller anden måde. I en retning, det ser perfekt ud, men hvis du vender gitteret og ser på det fra en anden vinkel, du ser, at hele strukturen roterer. "

"I et typisk enkeltkrystalmateriale, sagde Dierolf, "når jeg først har fundet ud af hvordan mønsteret gentager sig, derefter, hvis jeg kender den nøjagtige placering af et atom, Jeg kan forudsige den præcise placering af hvert atom. Dette er kun muligt, fordi enkeltkrystaller har en rækkefølge med lang rækkevidde.

"Når vi vokser en RLS -krystal ud af glas, imidlertid, vi har fundet ud af, at periodiciteten ikke resulterer på en eller anden måde. For at forudsige placeringen af ​​hvert atom, Jeg skal kende ikke bare den præcise placering af et bestemt atom, men også gitterets rotationsvinkel.

"Dermed, vi er nødt til at ændre lærebogens definition af enkelte krystaller lidt. "

Rotationen, sagde Jain, forekommer i atomskala og påvirker ikke glasmaterialets form. "Kun atomstrengen bøjer sig, ikke hele materialet. Vi kan se bøjningen af ​​krystalgitteret med røntgendiffraktion. "

For at opnå denne rotation, forskerne opvarmer en meget lille del af overfladen af ​​et massivt glasmateriale med en laser, hvilket får atomerne til at blive mere fleksible.

"Atomer ønsker at arrangere i en lige linje, men det omgivende glas tillader ikke dette, "sagde Jain." I stedet for glasset, være fuldstændig solid, tvinger atomernes konfiguration til at bøje. Atomer bevæger sig og forsøger at organisere sig i et krystallinsk gitter, ideelt i en perfekt enkelt krystal, men de kan ikke, fordi glasset forhindrer den perfekte krystal i at dannes og tvinger atomerne til at arrangere i et rotationsgitter. Skønheden er, at rotationen foregår problemfrit på mikrometerskalaen.

"Vores laser pålægger en grad af asymmetri på krystalets vækst. Vi styrer varmekildens asymmetri for at pålægge atomerne dette rotationsmønster."

Gruppens evne til at kontrollere opvarmningsmængden er afgørende for dannelsen af ​​det roterende gitter, sagde Jain.

"Nøglen til oprettelsen af ​​det roterende atomgitter er, at det sker uden at smelte glasset. Smeltning giver for meget fri bevægelighed for atombevægelse, hvilket gør det umuligt at kontrollere organiseringen af ​​gitteret.

"Vores subtile måde at opvarme glasset på overvinder dette. Vi opvarmer kun glassets overflade, ikke indeni. Dette er meget præcist, meget lokal opvarmning. Det forårsager kun en begrænset bevægelse af atomerne, og det giver os mulighed for at kontrollere, hvordan atomgitteret vil bøje. "

Roterende gitter er blevet observeret i visse biomineraler i havet, sagde Jain og Dierolf, og det kan også forekomme i meget lille skala i nogle naturlige mineraler som sfærulitter.

"Men ingen havde tidligere lavet dette i større skala på en kontrolleret måde, som vi har opnået med den asymmetriske påføring af en laser for at forårsage det roterende gitter, "sagde Jain.

"Forskere var ikke i stand til at forstå dette fænomen før, fordi de ikke kunne observere det i stor nok skala. Vi er den første gruppe, der får dette til at ske på en effektivt ubegrænset dimension med en laser."

Jain og Dierolf og deres gruppe planlægger yderligere undersøgelser for at forbedre deres evne til at manipulere atomernes orden.

Forskerne udførte laseropvarmning af glasset i Lehigh og karakteriserede glasset med mikro-røntgendiffraktion på en synkrotron på Lawrence Berkeley National Lab. De planlægger at udføre yderligere karakterisering i Berkeley og med elektronmikroskopi i Lehigh.

Projektet har været finansieret i seks år af det amerikanske energiministerium.

"Dette er en ny måde at lave enkeltkrystaller på, "sagde Dierolf." Det åbner et nyt felt ved at skabe et materiale med unikt, nye egenskaber. "