Yeni bir çalışma, yarı iletkenler ve güneş panelleri gibi malzeme bilimi ve teknolojilerinde çok önemli olan kristal yapıların her zaman düzenli bir şekilde düzenlenmesi gerekmediğini keşfetti. Daha önce bir geçiş durumu olarak kabul edilen altıgen katmanların rastgele istiflenmesinin (RHCP) büyük olasılıkla kararlı olduğunu ve yüksek voltajlı elektronik cihazlarda ve vücut zırhında kullanılan silisyum karbür gibi politipik malzemelerde yeni faydalı özellikler sağlayabileceğini buldular.
Düzensiz düzenlenmiş yapıların keşfedilmesiyle önceki inançlar alt üst edildi.
Birçok kişi için “kristaller” kelimesi, gökkuşağı renklerinden oluşan bir prizma veya sahip olduğu düşünülen yarı saydam taşlar oluşturan parıldayan güneş yakalayıcıların görüntülerini çağrıştırır. şifa yetenekleri. Ancak bilim ve mühendislik alanında kristaller daha teknik bir tanım kazanıyor. Bileşenleri – atomlar, moleküller veya nanopartiküller – uzayda düzenli olarak düzenlenmiş malzemeler olarak algılanırlar. Başka bir deyişle, kristaller, bileşenlerinin düzenli dizilişi ile tanımlanır. Alışılmış örnekler arasında elmaslar, sofra tuzu ve küp şeker yer alır.
Sangwoo Lee. Kredi: Rensselaer Polytechnic Institute
Yaygın olarak kabul edilen bu tanımın aksine, Rensselaer Polytechnic Institute Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Bölümü’nde doçent olan Sangwoo Lee tarafından yürütülen yakın tarihli bir araştırma ilgi çekici bir yönü ortaya çıkardı kristal yapıların içindeki bileşenlerin düzeninin her zaman düzenli olmadığını ortaya koyuyor.
Keşif, malzeme bilimi alanını ilerletiyor ve yarı iletkenler, güneş panelleri ve elektrikli araç teknolojileri için kullanılan malzemeler üzerinde gerçekleşmemiş çıkarımlara sahip. .
Kristal yapıların en yaygın ve önemli sınıflarından biri, küre katmanlarının bal peteği düzeninde istiflenmesiyle inşa edilen, düzenli kürelerin birbirine yakın yapılarıdır. Sıkışık yapılar inşa etmek için katmanları istiflemenin birçok yolu vardır ve doğanın belirli istiflemeyi nasıl seçtiği, malzeme ve fizik araştırmalarında önemli bir sorudur. Yakın paketleme yapısında, iki boyutlu altıgen katmanların (RHCP) rastgele istiflenmesi olarak bilinen düzensiz aralıklı bileşenlere sahip çok sıra dışı bir yapı vardır. Bu yapı ilk olarak 1942’de kobalt metalinde gözlendi, ancak geçişli ve enerji açısından tercih edilmeyen bir durum olarak kabul edildi.
Lee’nin araştırma grubu, polimerlerden yapılmış yumuşak model nanopartiküllerden X-ışını saçılımı verileri topladı ve saçılma verileri RHCP ile ilgili önemli sonuçlar içerir ancak çok karmaşıktır. Ardından, Rensselaer’in Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Bölümü’nde profesör olan Patrick Underhill, Center for Computational Innovations’ta süper bilgisayar sistemi Yapay Zeka Çoklu İşleme Optimize Edilmiş Sistemi (AiMOS) kullanarak saçılma verilerinin analizini sağladı.
“ Bulduğumuz şey, RHCP yapısının büyük olasılıkla kararlı bir yapı olduğu ve RHCP’nin birçok malzemede ve doğal olarak oluşan kristal sistemlerde yaygın olarak gözlemlenmesinin nedeni budur, “dedi Lee. “Bu bulgu, kristallerin klasik tanımına meydan okuyor.”
Çalışma, politipizm olarak bilinen ve RHCP’nin ve diğer kapalı yapıların oluşumunu sağlayan fenomen hakkında fikir veriyor. Politipizm ile temsili bir malzeme, elektrikli araçlardaki yüksek voltajlı elektronik parçalarda ve vücut zırhı için sert malzemeler olarak yaygın olarak kullanılan silisyum karbürdür. Lee’nin ekibinin bulguları, bu çok tipli malzemelerin, yeni yararlı özelliklere sahip klasik olmayan rastgele düzenlemeler dahil, sürekli yapısal geçişlere sahip olabileceğini gösteriyor.
“Yumuşak parçacıkların nasıl bir araya geldiği sorunu basit görünüyor, ancak en temel sorular bile Cevap vermek zor,” dedi bu araştırmayla bağlantısı olmayan Minnesota-Twin Cities Üniversitesi’nden Kevin Dorfman. “Bu makale, yüzey merkezli kübik (FCC) ve altıgen sıkı paket (HCP) kafesler arasında sürekli bir geçiş için ikna edici kanıtlar sağlıyor; bilim.”
“Yumuşak malzemelerdeki moleküler düzeydeki yapıların kodunu çözerek malzeme biliminde önemli bir atılım yapmak için gelişmiş hesaplamanın gücünü gösteren bu keşiften özellikle memnunum,” dedi Shekhar Garde, Rensselaer Mühendislik Okulu. “Lee ve Underhill’in Rensselaer’deki çalışması, aynı zamanda bu yeni malzemeler için birçok teknolojik uygulama için fırsatlar yaratmayı vaat ediyor.”
Referans: “Sürekli rastgele geçiş yoluyla koloidal kristaller” Juhong Ahn, Liwen Chen, Patrick T. Underhill, Guillaume Freychet, Mikhail Zhernenkovc ve Sangwoo Lee, 14 Nisan 2023, Soft Matter.
DOI: 10.1039/D3SM00199G
Lee ve Underhill, Rensselaer’den Juhong tarafından araştırmaya katıldı Ahn, Şangay Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden Liwen Chen ve Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndan Guillaume Freychet ve Mikhail Zhernenkov.