Wenn die meisten Menschen an Kristalle denken, stellen sie sich Sonnenfänger vor, die wie Regenbogenprismen wirken, oder die halbtransparenten Steine, von denen einige glauben, dass sie heilende Kräfte besitzen. Für Wissenschaftler und Ingenieure sind Kristalle jedoch eine Materialform, deren Bestandteile – Atome, Moleküle oder Nanopartikel – regelmäßig im Raum angeordnet sind. Mit anderen Worten: Kristalle zeichnen sich durch die regelmäßige Anordnung ihrer Bestandteile aus. Gängige Beispiele sind Diamanten, Speisesalz oder Würfelzucker.
Allerdings in einer gerade veröffentlichten Studie Weiche Materie, ein Team unter der Leitung von Sangwoo Lee vom Rensselaer Polytechnic Institute, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Chemie- und Bioingenieurwesen, entdeckte, dass Kristallstrukturen nicht unbedingt immer regelmäßig angeordnet sind. Die Entdeckung treibt das Gebiet der Materialwissenschaften voran und hat bislang ungeahnte Auswirkungen auf die Materialien, die für Halbleiter, Solarmodule und Elektrofahrzeugtechnologien verwendet werden.
Eine der häufigsten und wichtigsten Klassen von Kristallstrukturen sind die dicht gepackten Strukturen regelmäßiger Kugeln, die durch das Stapeln von Kugelschichten in einer Wabenanordnung entstehen. Es gibt viele Möglichkeiten, die Schichten zu stapeln, um dicht gepackte Strukturen zu bilden, und wie die Natur eine bestimmte Stapelung auswählt, ist eine wichtige Frage in der Material- und Physikforschung. Bei der dichten Packungskonstruktion gibt es eine sehr ungewöhnliche Struktur mit unregelmäßig verteilten Bestandteilen, die als zufällige Stapelung zweidimensionaler hexagonaler Schichten (RHCP) bekannt ist. Diese Struktur wurde erstmals 1942 bei Kobaltmetall beobachtet, wurde jedoch als Übergangszustand und energetisch ungünstiger Zustand angesehen.
Lees Forschungsgruppe sammelte Röntgenstreudaten von weichen Modellnanopartikeln aus Polymeren und erkannte, dass die Streudaten wichtige Ergebnisse zu RHCP enthalten, aber sehr kompliziert sind. Anschließend ermöglichte Patrick Underhill, Professor am Department of Chemical and Biological Engineering von Rensselaer, die Analyse der Streudaten mithilfe des Supercomputersystems Artificial Intelligence Multiprocessing Optimized System (AiMOS) am Center for Computational Innovations.
„Wir haben herausgefunden, dass die RHCP-Struktur höchstwahrscheinlich eine stabile Struktur ist, und das ist der Grund, warum RHCP in vielen Materialien und natürlich vorkommenden Kristallsystemen weit verbreitet beobachtet wurde“, sagte Lee. „Dieser Befund stellt die klassische Definition von Kristallen in Frage.“
Die Studie liefert Einblicke in das als Polytypismus bekannte Phänomen, das die Bildung von RHCP und anderen dicht gepackten Strukturen ermöglicht. Ein repräsentatives Material mit Polytypie ist Siliziumkarbid, das häufig für die Hochspannungselektronik in Elektrofahrzeugen und als hartes Material für Körperschutz verwendet wird. Die Ergebnisse von Lees Team deuten darauf hin, dass diese polytypischen Materialien möglicherweise kontinuierliche Strukturübergänge aufweisen, einschließlich der nichtklassischen Zufallsanordnungen mit neuen nützlichen Eigenschaften.
„Das Problem, wie sich weiche Partikel ansammeln, scheint einfach zu sein, aber selbst die grundlegendsten Fragen sind schwer zu beantworten“, sagte Kevin Dorfman von der University of Minnesota-Twin Cities, der nicht an dieser Forschung beteiligt ist. „Diese Arbeit liefert überzeugende Beweise für einen kontinuierlichen Übergang zwischen kubisch-flächenzentrierten (FCC) und hexagonal dicht gepackten (HCP) Gittern, was eine stabile zufällige hexagonal dicht gepackte Phase zwischen ihnen impliziert, und stellt somit einen wichtigen Durchbruch in der Materialwissenschaft dar.“ .“
„Ich freue mich besonders über diese Entdeckung, die die Leistungsfähigkeit fortschrittlicher Berechnungen zeigt, um durch die Entschlüsselung der Strukturen auf molekularer Ebene in weichen Materialien einen wichtigen Durchbruch in der Materialwissenschaft zu erzielen“, sagte Shekhar Garde, Dekan der Rensselaer School of Engineering. „Die Arbeit von Lee und Underhill bei Rensselaer verspricht auch, Möglichkeiten für viele technologische Anwendungen dieser neuen Materialien zu eröffnen.“
Lee und Underhill wurden bei der Forschung von Juhong Ahn von Rensselaer, Liwen Chen von der University of Shanghai for Science and Technology sowie Guillaume Freychet und Mikhail Zhernenkov vom Brookhaven National Laboratory unterstützt.
Mehr Informationen:
Juhong Ahn et al., Kontinuierlicher Übergang kolloidaler Kristalle durch stabile Zufallsordnungen, Weiche Materie (2023). DOI: 10.1039/D3SM00199G