Pesquisadores transformam nossa compreensão dos cristais

18 de maio de 2023

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por Katie Malatino, Rensselaer Polytechnic Institute

Quando a maioria das pessoas pensa em cristais, imagina coletores de sol que agem como prismas de arco-íris ou pedras semitransparentes que alguns acreditam ter poderes de cura. No entanto, para cientistas e engenheiros, os cristais são uma forma de materiais em que seus constituintes – átomos, moléculas ou nanopartículas – são arranjados regularmente no espaço. Em outras palavras, os cristais são definidos pelo arranjo regular de seus constituintes. Exemplos comuns são diamantes, sal de mesa ou cubos de açúcar.

No entanto, em uma pesquisa publicada recentemente na Soft Matter, uma equipe liderada por Sangwoo Lee, do Rensselaer Polytechnic Institute, professor associado do Departamento de Engenharia Química e Biológica, descobriu que as estruturas cristalinas nem sempre são organizadas regularmente. A descoberta avança no campo da ciência de materiais e tem implicações não realizadas para os materiais usados ​​em semicondutores, painéis solares e tecnologias de veículos elétricos.

Uma das classes mais comuns e importantes de estruturas cristalinas são as estruturas compactas de esferas regulares construídas pelo empilhamento de camadas de esferas em um arranjo de favo de mel. Existem muitas maneiras de empilhar as camadas para construir estruturas compactas, e como a natureza seleciona o empilhamento específico é uma questão importante na pesquisa de materiais e física. Na construção compacta, existe uma estrutura muito incomum com constituintes espaçados irregularmente, conhecida como empilhamento aleatório de camadas hexagonais bidimensionais (RHCP). Esta estrutura foi observada pela primeira vez a partir do metal cobalto em 1942, mas tem sido considerada como um estado de transição e energeticamente não preferido.

O grupo de pesquisa de Lee coletou dados de dispersão de raios X de nanopartículas de modelo macio feitas de polímeros e percebeu que os dados de dispersão contêm resultados importantes sobre RHCP, mas são muito complicados. Em seguida, Patrick Underhill, professor do Departamento de Engenharia Química e Biológica de Rensselaer, viabilizou a análise dos dados de espalhamento usando o sistema de supercomputador, Artificial Intelligence Multiprocessing Optimized System (AiMOS), no Centro de Inovações Computacionais.

“O que descobrimos é que a estrutura do RHCP é, muito provavelmente, uma estrutura estável, e esta é a razão pela qual o RHCP tem sido amplamente observado em muitos materiais e sistemas de cristais naturais”, disse Lee. "Esta descoberta desafia a definição clássica de cristais."

O estudo fornece informações sobre o fenômeno conhecido como politipismo, que permite a formação de RHCP e outras estruturas compactas. Um material representativo com politipismo é o carboneto de silício, amplamente utilizado para eletrônica de alta tensão em veículos elétricos e como materiais duros para armaduras corporais. As descobertas da equipe de Lee indicam que esses materiais politípicos podem ter transições estruturais contínuas, incluindo os arranjos aleatórios não clássicos com novas propriedades úteis.

“O problema de como as partículas moles se agrupam parece simples, mas mesmo as questões mais básicas são difíceis de responder”, disse Kevin Dorfman, da Universidade de Minnesota-Twin Cities, que não está afiliado a esta pesquisa. "Este artigo fornece evidências convincentes para uma transição contínua entre as redes cúbicas de face centrada (FCC) e hexagonais compactadas (HCP), o que implica uma fase estável hexagonal compacta compactada entre elas e, portanto, faz um importante avanço na ciência dos materiais. ."