At belyse, hvordan asymmetri giver kemiske egenskaber

Du har hørt udtrykket 'form følger funktion'? I materialevidenskab, funktion følger form.

Ny forskning af Carnegies Olivier Gagné og samarbejdspartner Frank Hawthorne fra University of Manitoba kategoriserer årsagerne til strukturel asymmetri, nogle overraskende, som understøtter nyttige egenskaber ved krystaller, inklusive ferroelektricitet, fotoluminescens, og fotovoltaisk evne. Deres resultater er offentliggjort i denne uge som en hovedartikel i International Union of Crystallography Journal .

"Det er centralt for materialevidenskaben at forstå, hvordan forskellige bindingsarrangementer formidler forskellige nyttige egenskaber," forklarede Gagné. "Til dette projekt, vi var især interesserede i, hvad variationer i bindingslængder betyder for et materiales mest spændende egenskaber, og hvordan man skaber rammer for deres optimering."

Dette var det femte og sidste afsnit i en række artikler af Gagné og Hawthorne, der undersøgte variabiliteten i bindingslængder af krystallinske strukturer. Denne gang fokuserede de på forbindelser, der består af ilt og grundstoffer fra kategorien, der kaldes overgangsmetaller.

Forestil dig det periodiske system. Overgangsmetallerne udgør dens centrale blok - danner en bro, der forbinder de højere tårne ​​af elementer på venstre og højre side.

Som alle metaller, de kan lede en elektrisk strøm. De har også en enorm række af kemiske og fysiske egenskaber, herunder emission af synligt lys, formbarhed, og magnetisme. Mange, som guld, platin, og sølv er værdsat for deres værdi. andre, herunder jern, nikkel, kobber, og titanium er afgørende for værktøjer og teknologier.

Overgangsmetallernes evne til at danne en række nyttige forbindelser skyldes i høj grad den særlige tredimensionelle konfiguration af deres elektroner. Som sådan, de bindinger, de danner i forbindelser, kan være vidt asymmetriske. Men Gagné og Hawthorne ønskede at forstå, om andre årsager til variation i bindingslængden var i spil.

"Det er et århundrede gammelt problem" forklarede Gagné. "Som Linus Pauling og Victor Goldschmidt gjorde dette emne til en af ​​deres primære forskningsinteresser; dataene var der simpelthen ikke på det tidspunkt."

Gagné og Hawthorne analyserede data om bindingslængderne af 63 forskellige overgangsmetalioner bundet til oxygen i 147 konfigurationer fra 3, 814 krystalstrukturer og udviklet to nye indekser til kontekstualisering af asymmetrisk binding.

"Disse indekser giver os mulighed for at udpege de forskellige årsager til asymmetriske bindingsarrangementer, som forhåbentlig vil give os mulighed for at udnytte de egenskaber, de formidler, når vi forudsiger og syntetiserer nye materialer, " forklarede Hawthorne.

Til deres overraskelse, de fandt ud af, at den indre struktur af krystaller ofte spontant forvrænges som en eneste funktion af forbindelsen til dets bindingsnetværk, en effekt, som de viser, forekommer hyppigere end forvrængning forårsaget af elektroniske effekter eller andre faktorer.

"Vi havde mistanke om, at en vis variation i bindingslængden stammede fra krystalstrukturkontroller, men vi forventede ikke, at det var den primære faktor, der lå bag bindingslængdevariationen i uorganiske faste stoffer, " Gagné forklarede. "Det er en mekanisme, der er fuldstændig adskilt og uden hensyn til de nuværende forestillinger om faststofkemi; det, der er blevet overset siden krystallografiens tidlige dage."