Övergången av ostrukturerade amorfa material till strukturerade kristallina material induceras i allmänhet av uppvärmningsmaterial över deras övergångstemperatur. Kristallina material är viktiga inom teknik som enheter, så alternativa sätt att kontrollera deras bildning har väckt stort intresse från materialforskare. Forskare har funnit att kristallisation kan underlättas vid en lägre temperatur än den traditionella övergångstemperaturen om ett amorft material skakas vid en viss frekvens. Således, omrörning representerar ett möjligt alternativ till temperatur för att kontrollera kristallisationen av material.

Ett team vid Osaka University bestämde sig för att klargöra förhållandet mellan agitation och kristallisering av amorfa fasta ämnen. För att underlätta deras undersökning, de använde ett kolloidalt (småpartikel) system för att modellera atommaterial eftersom kolloidernas större partikelstorlek och avslappningstid, jämfört med atomernas, underlätta deras mätning.

"Vi förberedde kolloidala glas från kiseldioxidsfärer i lösning och oscillerade dem sedan vid olika frekvenser, " förklarar första författaren Nobutomo Nakamura. "Vi observerade sedan den resulterande strukturen genom konfokal laserskanningsmikroskopi."

Gruppen identifierade en specifik frekvens vid vilken kristallisation av deras system accelererades. De bestämde graden av kristallisation i systemet som agiterades vid olika frekvenser genom att mäta dess lokala bindningsorienteringsordningsparameter. Värdet på denna parameter ökade avsevärt, indikerar en högre grad av kristallisation, bara när systemet omrördes med en frekvens på cirka 75 Hz.

"Våra resultat visade att det finns ett specifikt vibrationsläge som underlättar kristallisering av kolloiden, säger Nakamura.

Forskarna bekräftade då att frekvensen vid vilken kristallisering sker förändrades beroende på interaktionen mellan partiklar i systemet. De tillsatte en polymer till systemet för att förändra interaktionskraften mellan partiklar, vilket fick kristallisationsfrekvensen att öka. Teamet kunde förklara sina fynd genom att relatera kristalliseringsfrekvensen med tidsskalan för partiklarnas vibrationsrörelse. De föreslog att omrörning av systemet vid en frekvens som matchade rörelsen av partiklar som bildar kristallin struktur hjälpte deras kollektiva rörelse och därmed accelererade kristallisation.

Dessa fynd avslöjar att det kan vara möjligt att kontrollera kristallisationen av amorfa system genom omrörning vid en specifik frekvens snarare än uppvärmning över deras övergångstemperatur. Detta kan möjliggöra bildandet av kristallina material vid en lägre temperatur, vilket kommer att vara användbart vid enhetstillverkning.