Forskere finder mærkelige nye nanoregioner i quasicrystals

Et team af internationale forskere har opdaget en ny type strukturel anomali, eller defekt, der kan forekomme i kvasikrystaller, et unikt materiale med nogle krystallignende egenskaber, men en mere kompleks struktur.

Pat Thiel, senior kemiker ved U.S. Department of Energy's Ames Laboratory, ledet det internationale team, som omfatter forskere fra Institut Jean Lamour ved Nancy-Université i Frankrig.

I krystaller, en "defekt" refererer til enhver afvigelse fra perfekt strukturel symmetri. Mens udtrykket antyder en uønsket kvalitet, ikke alle fejl er dårlige; mange kontrollerer eller påvirker nøglematerialegenskaber, såsom kemisk renhed, mekanisk styrke, ledningsevne, farve, korrosivitet eller overfladeegenskaber. Rubiner, for eksempel, er røde på grund af en defekt, der gør en ellers ikke-beskrivende krystal til en værdifuld perle.

Kvasikrystaller var allerede kendt for at have en type defekt kaldet en phason flip, som kan dannes ved overfladen. Den nye defekttype blev opdaget, efter at forskere observerede mystiske områder i nanostørrelse på kvasikrystaloverflader. I modsætning til phason flip, imidlertid, den nye defekttype strækker sig ud over overfladeregionen og ind i hovedparten af ​​kvasikrystallen.

"Kvasikrystaller er så fascinerende materialer - de ser altid ud til at have funktioner, der er uventede, begyndende med deres eksistens, sagde Thiel, som også er Iowa State Universitys John D. Corbett Distinguished Professor of Chemistry.

Det var først i 1982, faktisk, da Dan Shechtman observerede det tilsyneladende umulige-et veldefineret, men ikke-gentagende arrangement af atomer under sit elektronmikroskop-at der blev fundet kvasikrystaller. Det tog endnu længere tid for det videnskabelige samfund at acceptere deres eksistens. Shechtman, en materialeforsker med Ames Lab, Iowa State University og Technion-Israel Institute of Technology, vandt Nobelprisen i kemi i 2011 for sin opdagelse.

Den nylige opdagelse af den nye defekttype viser, at kvasikrystaller stadig giver overraskelser. Selvom nanodomænefejlen ikke altid er til stede-det forekommer kun under visse omstændigheder for at hjælpe med at afbalancere konkurrerende energiske spørgsmål-gør dens dannelse på det tidspunkt det muligt at eksponere højere energiovergangs-metalrige overflader frem for den forventede lavere energi-aluminium- rige overflader.

Fordi nanostrukturer viser løfte om brug i en række applikationer, fra medicin til elektronik, forståelse af forholdet mellem overflade- og bulkfejl i materialer kan give større indsigt i, hvorfor nanostrukturer ofte er usædvanligt stærke.

"Det er allerede kendt, at i nanotråde, deres styrke hænger sammen med, at overfladen kan 'slette' bulkfejlene, "Thiel sagde." Men så i sidste ende under ekstreme forhold kan selv en nanotråd mislykkes, og overfladen synes også at spille en rolle i denne begivenhed. Så forholdet mellem overflade- og bulkfejl er virkelig meget vigtigt. "