Du har hört uttrycket "form följer funktion"? Inom materialvetenskap, funktion följer form.

Ny forskning av Carnegies Olivier Gagné och samarbetspartner Frank Hawthorne vid University of Manitoba kategoriserar orsakerna till strukturell asymmetri, en del överraskande, som underbygger användbara egenskaper hos kristaller, inklusive ferroelektricitet, fotoluminescens, och fotovoltaisk förmåga. Deras resultat publiceras denna vecka som en ledande artikel i International Union of Crystallography Journal .

"Att förstå hur olika bindningsarrangemang förmedlar olika användbara attribut är centralt för materialvetenskapen", förklarade Gagné. "För detta projekt, vi var särskilt intresserade av vad variationer i bindningslängder betyder för ett materials mest spännande egenskaper, och hur man skapar ett ramverk för deras optimering."

Detta var den femte och sista delen i en serie uppsatser av Gagné och Hawthorne som undersökte variationer i bindningslängder för kristallina strukturer. Den här gången fokuserade de på föreningar som består av syre och grundämnen från kategorin som kallas övergångsmetaller.

Föreställ dig det periodiska systemet. Övergångsmetallerna utgör dess centrala block - bildar en bro som förbinder de högre tornen av element på vänster och höger sida.

Som alla metaller, de kan leda en elektrisk ström. De har också ett enormt utbud av kemiska och fysikaliska egenskaper, inklusive utsläpp av synligt ljus, smidbarhet, och magnetism. Många, som guld, platina, och silver prisas för sitt värde. andra, inklusive järn, nickel, koppar, och titan är avgörande för verktyg och teknologier.

Övergångsmetallernas förmåga att bilda en mängd användbara föreningar beror till stor del på den speciella tredimensionella konfigurationen av deras elektroner. Som sådan, de bindningar de bildar i föreningar kan vara mycket asymmetriska. Men Gagné och Hawthorne ville förstå om andra orsaker till variationer i bindningslängden fanns i spel.

"Det är ett hundraårigt problem" förklarade Gagné. "De som Linus Pauling och Victor Goldschmidt gjorde detta ämne till ett av sina främsta forskningsintressen; uppgifterna fanns helt enkelt inte där vid den tiden."

Gagné och Hawthorne analyserade data om bindningslängderna för 63 olika övergångsmetalljoner bundna till syre i 147 konfigurationer från 3, 814 kristallstrukturer och utvecklade två nya index för att kontextualisera asymmetrisk bindning.

"Dessa index tillåter oss att peka ut de olika orsakerna bakom asymmetriska bindningsarrangemang, vilket förhoppningsvis kommer att tillåta oss att utnyttja de egenskaper som de förmedlar när vi förutsäger och syntetiserar nya material, " förklarade Hawthorne.

Till deras förvåning, de fann att den interna strukturen hos kristaller ofta spontant förvrängs som en enda funktion av anslutningen av dess bindningsnätverk, en effekt som de visar uppträder oftare än distorsion orsakad av elektroniska effekter eller andra faktorer.

"Vi misstänkte att viss variation i bindningslängden härrörde från kristallstrukturkontroller, men vi förväntade oss inte att det skulle vara den primära faktorn bakom bindningslängdsvariationen i oorganiska fasta ämnen, " Gagné förklarade. "Det är en mekanism som är helt separat och utan redovisning av nuvarande föreställningar om fasta tillståndskemi; det som har förbisetts sedan kristallografins tidiga dagar."