Tro det eller ej, stål har något gemensamt med bakteriella bihang:de kan båda genomgå en speciell typ av fysisk omvandling som förblir förbryllande. Nu, forskare från Japan och Kina har använt direkta mikroskopiska observationer för att ge mer klarhet i hur denna omvandling sker.

I en studie som nyligen publicerades i Naturkommunikation , forskare från University of Tokyo Institute of Industrial Science och Fudan University Department of Physics har avslöjat tidigare okända fysiska detaljer som underbygger kristallina fast-till-fast fasövergångar i mjuka material, och möjligen hur forskare mer kan utnyttja egenskaperna hos avancerade material.

En speciell typ av fast-till-fast fasövergång, känd som en martensitisk övergång, är en spännande gräns inom medicin, teknologi, och andra områden. Den martensitiska övergången möjliggörs av en koordinerad rörelse av atomer i ett material, som ändrar materialets egenskaper utan att ändra dess kemiska sammansättning. Metallegeringar och proteiner kan båda genomgå denna övergång. Forskare antar att i lätt deformerbara mjuka material, övergången kan ske annorlunda än de som observeras i hårda material med stabila defekter. För närvarande, denna hypotes är svår att testa, något som forskarna siktade på.

"Traditionellt, det har varit utmanande att mikroskopiskt observera den dynamiska processen av martensitiska övergångar i mjuka material på en partikelnivå, " säger medförfattare till studien Hajime Tanaka. "Man måste utarbeta ett sätt att göra det på ett sätt som snabbt initierar övergången utan skadlig störning av systemet."

Att göra detta, forskarna använde en skonsam teknik som kallas jonbyte – i princip, samma metod som används för att avlägsna kalcium- och magnesiumjoner från vatten - för att snabbt ändra kristallstrukturen hos polymera mikropartiklar. Man kan observera kinetiken för de resulterande martensitiska övergångarna med ett mikroskop med en partikelupplösning.

"Mikroskopiresultaten var entydiga, " förklarar Peng Tan, medförfattare till studien. "Vi observerade tre tidigare okända mekanismer genom vilka kroppscentrerade kubiska mjuka kolloidala kristaller bildas från ansiktscentrerade kubiska, beroende på tillståndet."

Forskarna undersökte egenskaperna hos dessa vägar - kallad termiskt aktiverad kärnbildning i korn, korn-gräns-försmältningsassisterad kärnbildning, och väggassisterad tillväxt – med särskilt fokus på hur energibarriären för övergången minskar i varje enskilt fall.

"Mjukheten hos en kristall spelar en avgörande roll i termiskt aktiverad kärnbildning i korn, " förklarar Tanaka. "Medan, de andra två vägarna kan förekomma även i hårda material."

Dessa resultat har olika tillämpningar. Till exempel, vissa läkemedel kan ändra sin tillgänglighet i kroppen genom fast-till-fast fasövergångar; därför, att förstå hur man kontrollerar när och var sådana övergångar inträffar skulle kunna utgöra ett nytt sätt för riktad läkemedelsleverans. En större förståelse för de fysiska mekanismerna för transformationer från fast till fast substans stöder utvecklingen av nya material som kan skräddarsys för applikationer.