Vissa material kan förvandlas till flera kristallstrukturer med mycket olika egenskaper. Till exempel, klämning av en mjuk form av kol ger diamant, en hårdare och mer lysande form av kol. Kurt Vonneguts roman "Cat's Cradle" innehöll is-nio, en fiktiv form av vatten med en mycket högre smältpunkt än vanlig is som hotade med att irreversibelt frysa allt vatten på jorden.

Dessa material kallas polymorfer, och de är vanligtvis gjorda genom att applicera tryck, eller klämma. Forskare som letar efter nya material skulle också vilja göra det motsatta - applicera "negativt tryck" för att sträcka ett materials kristallstruktur till en ny konfiguration. Förr, detta tillvägagångssätt tycktes kräva negativt tryck som är svårt om inte omöjligt att uppnå i laboratoriet, plus det riskerade att dra isär materialet.

Nu har forskare vid Department of Energy National Renewable Energy Laboratory (NREL) hittat ett sätt att skapa ekvivalent med undertryck genom att blanda ihop två material under de rätta förhållandena för att skapa en legering med en luftigare och helt annan kristallstruktur och unika egenskaper .

Röntgenmätningar vid DOE:s SLAC National Accelerator Laboratory bekräftade att de har lyckats. Deras nya legering har mer utrymme mellan sina atomer än något av dess modermaterial, som om det var utsträckt. Till skillnad från sina föräldrar, det nya materialet är piezoelektriskt – kan generera en elektrisk laddning som svar på applicerad mekanisk påfrestning. Detta kan vara viktigt för användning i sensorer och ställdon.

Publicerad i Vetenskapliga framsteg , papperet som rapporterar sina resultat innehåller både den teoretiska förståelsen och det experimentella beviset på konceptet som visar hur sådana nya material med låg densitet kan göras.

"Att skapa de negativa tryckförhållandena i legeringar krävde kontraintuitivt tänkande, och kanske därför det inte har påpekats tidigare, sade Andriy Zakutayev, en NREL-forskare och en huvudförfattare till den nya artikeln.

"Det är möjligt att applicera positivt tryck på materialet genom att klämma det, men det är verkligen svårt att lossa materialet, "sa han." Tänk på det här sättet:du kan packa en snöboll ur snön, men du kan inte förvandla en tät snöboll tillbaka till fluffig snö."

Banbrytande arbete med felaktiga material

Experimentet bygger på banbrytande arbete som leds av NREL om blandning av föreningar med atomstrukturer som inte matchade.

Så säkert som vattnet rinner nedför, en kemisk reaktion tar vägen med minst motstånd, på ett sätt som förbrukar minst energi. Att blanda två material med strukturer med hög densitet kräver mycket energi; men om du kunde knuffa reaktionen i riktning mot att skapa en slutprodukt med låg densitet vars atomer var längre ifrån varandra, det skulle kräva mycket mindre energi, forskarna teoretiserade. Det skulle motsvara att göra ett material under negativt tryck.

De testade denna hypotes genom att blanda högdensitetsformer av manganselenid och mangantellurid som har olika kristallstrukturer-en som liknar bergsalt, den andra mineralen nickelin. För att kombinera de två, de använde en teknik som kallades förstoftning där fina sprayer av atomer frigjordes från ytorna på både utgångsmaterial och avsattes som en tunn film på en het yta, där den nya legeringen kristalliserade och växte, sa SLAC -associerad personalvetare Laura Schelhas. Hon utförde röntgenmätningar av den nya legeringen vid laboratoriets Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) med personalforskaren Kevin Stone. Legeringen, Det visade sig, hade kristallstrukturen av ännu ett mineral, wurtzite.

"Du kan använda detta legeringsmetod för att göra olika, aldrig tidigare sett material med intressanta egenskaper, "Sa Schelhas." Till exempel, den här blir piezoelektrisk:När du applicerar en spänning över materialet sträcker den sig faktiskt och blir större. Och det motsatta händer också:Om du trycker på det, den producerar en elektrisk laddning. Dessa piezoelektriska material används på många ställen – inklusive vissa krockkuddar, där trycket från att bli påkörd i en kollision skapar lite elektrisk laddning som sätter igång krockkudden – och materialet som skapades här var helt nytt."

Aaron Holder, en NREL -forskare och biträdande professor vid University of Colorado Boulder, sa, "Egenskaperna hos denna nya legering kan leda till att den används som kontaktskikt för solceller, eller för framtida magnetminne, tunnfilmstransistorer, eller termoelektriska anordningar. Men hur vi gjorde det är ännu mer lovande:Att hitta nya vägar för att syntetisera material som naturen inte kan göra skulle katalysera framsteg mot nästa generations teknik."