Forskare vid Lehigh University, i samarbete med Lawrence Berkeley National Laboratory, har demonstrerat tillverkningen av vad de kallar en ny klass av kristallint fast material med hjälp av en laseruppvärmningsteknik som får atomer att organisera sig i ett roterande gitter utan att påverka den makroskopiska formen av det fasta materialet.

Genom att styra det kristallina gitterets rotation, forskarna säger att de kommer att kunna göra en ny typ av syntetiska enkristaller och "bioinspirerade" material som efterliknar strukturen hos speciella biomineraler och deras överlägsna elektroniska och optiska egenskaper också.

Gruppen rapporterade sina fynd idag (3 november) i Vetenskapliga rapporter , en Nature journal, i en artikel med titeln "Roterande gitter enkelkristallarkitektur på glasytan." Tidningens huvudförfattare är Dmytro Savytskii, forskare vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid Lehigh.

De andra författarna är Volkmar Dierolf, framstående professor och ordförande för institutionen för fysik i Lehigh; Himanshu Jain, T.L. Diamond Distinguished Chair i teknik och tillämpad vetenskap och professor i materialvetenskap och teknik vid Lehigh; och Nobumichi Tamura från Lawrence Berkeley National Lab i Berkeley, Kalifornien.

Utvecklingen av de roterande gittersingel (RLS) -kristallerna följer en upptäckt som rapporterades i mars i Vetenskapliga rapporter där Lehigh -gruppen för första gången visade att en enda kristall kunde odlas från glas utan att smälta glaset.

I en typisk kristallin fast substans, atomer är arrangerade i ett galler, en regelbunden upprepning, eller periodisk tredimensionell struktur. Sett från valfri vinkel - vänster till höger, upp och ner, fram och tillbaka-en kristallspecifik periodicitet blir uppenbar. Glas, däremot, är ett amorft material med en störd atomstruktur.

Eftersom de inte har några korngränser mellan sammankopplade kristaller, enkristallmaterial har ofta enastående mekanisk, optiska och elektriska egenskaper. Enstaka kristaller ger diamanter sin glans och jetturbinblad motstår mot mekaniska krafter. Och den enda kristall av kisel som ett kiselchip är gjord av ger den överlägsna ledande egenskaper som ligger till grund för mikroelektronik.

Periodiciteten, eller upprepande mönster, i ett roterande gitter enkel kristall, sa Jain och Dierolf, skiljer sig från periodiciteten i en typisk enkristall.

"Vi har funnit att när vi odlar en kristall av glas, "sa Jain, "periodiciteten resulterar inte på något sätt. I en riktning, det ser perfekt ut, men om du vänder på gallret och ser det från en annan vinkel, du ser att hela strukturen roterar. "

"I ett typiskt enkristallmaterial, "sade Dierolf, "när jag kommer på hur mönstret upprepas, sedan, om jag vet den exakta platsen för en atom, Jag kan förutsäga den exakta platsen för varje atom. Detta är endast möjligt eftersom enkristaller har en långdistansordning.

"När vi odlar en RLS -kristall av glas, dock, vi har funnit att periodiciteten inte resulterar på något sätt. För att förutsäga platsen för varje atom, Jag måste veta inte bara den exakta platsen för en viss atom utan även gitterets rotationsvinkel.

"Således, vi måste ändra läroboksdefinitionen för enstaka kristaller något. "

Rotationen, sa Jain, förekommer i atomskala och påverkar inte glasmaterialets form. "Endast atomensträngen böjer sig, inte hela materialet. Vi kan se böjningen av kristallgitteret med röntgendiffraktion. "

För att uppnå denna rotation, forskarna värmer en mycket liten del av ytan av ett massivt glasmaterial med en laser, vilket gör att atomerna blir mer flexibla.

"Atomerna vill ordna i en rak linje men det omgivande glaset tillåter inte detta, "sa Jain." Istället, glaset, vara helt fast, tvingar atomernas konfiguration att böja sig. Atomerna rör sig och försöker organisera sig i ett kristallint gitter, helst i en perfekt enda kristall, men de kan inte eftersom glaset förhindrar att den perfekta kristallen bildas och tvingar atomerna att arrangera i ett rotationsgitter. Skönheten är att rotationen sker smidigt på mikrometerskalan.

"Vår laser påför en viss asymmetri på kristallens tillväxt. Vi styr asymmetrin hos värmekällan för att påföra atomerna detta rotationsmönster."

Gruppens förmåga att kontrollera värmemängden är avgörande för bildandet av det roterande gallret, sa Jain.

"Nyckeln till skapandet av det roterande atomgitteret är att det sker utan att glaset smälter. Smältning tillåter för mycket fri rörlighet i atomen, vilket gör det omöjligt att kontrollera organisationen av gallret.

"Vårt subtila sätt att värma glaset övervinner detta. Vi värmer bara glasets yta, inte inuti. Detta är mycket exakt, mycket lokal uppvärmning. Det orsakar endast en begränsad rörelse av atomerna, och det tillåter oss att styra hur atomgitteret kommer att böja sig. "

Roterande gitter har observerats i vissa biomineraler i havet, sa Jain och Dierolf, och det kan också förekomma i mycket liten skala i vissa naturliga mineraler som sfäruliter.

"Men ingen hade tidigare gjort detta i större skala på ett kontrollerat sätt, vilket vi har åstadkommit med den asymmetriska påläggningen av en laser för att orsaka det roterande gallret, "sa Jain.

"Forskare kunde inte förstå detta fenomen förut eftersom de inte kunde observera det i tillräckligt stor skala. Vi är den första gruppen som fick detta att hända på en effektivt obegränsad dimension med en laser."

Jain och Dierolf och deras grupp planerar ytterligare studier för att förbättra deras förmåga att manipulera ordningen av atomerna.

Forskarna utförde laseruppvärmning av glaset vid Lehigh och karakteriserade glaset med mikro röntgendiffraktion på en synkrotron vid Lawrence Berkeley National Lab. De planerar att utföra ytterligare karakterisering i Berkeley och med elektronmikroskopi i Lehigh.

Projektet har finansierats i sex år av det amerikanska energidepartementet.

"Detta är ett nytt sätt att göra enkristaller, "sa Dierolf." Det öppnar ett nytt fält genom att skapa ett material med unikt, nya egenskaper. "