Det är en materiell värld, och en extremt mångsidig sådan, med tanke på dess mest grundläggande byggstenar - atomer - kan kopplas samman för att bilda olika strukturer som behåller samma sammansättning.

Diamant och grafit, till exempel, är bara två av de många polymorferna av kol, vilket betyder att båda har samma kemiska sammansättning och endast skiljer sig åt på vilket sätt deras atomer är anslutna. Men vilken världsskillnad som anslutningen gör:Den förra går in i en ring och kostar tusentals dollar, medan den senare måste sitta nöjd i en ödmjuk penna.

Den oorganiska föreningen hafniumdioxid som vanligen används i optiska beläggningar har också flera polymorfer, inklusive en tetragonal form med mycket attraktiva egenskaper för datorchips och andra optiska element. Dock, eftersom denna form endast är stabil vid temperaturer över 3100 grader Fahrenheit - tänk flammande inferno - har forskare fått nöja sig med dess mer begränsade monokliniska polymorf. Tills nu.

Ett team av forskare som leds av kemikern University of Kentucky Beth Guiton och Texas A&M University kemist Sarbajit Banerjee i samarbete med Texas A&M materialtekniker Raymundo Arroyave har hittat ett sätt att uppnå denna mycket eftertraktade tetragonala fas vid 1100 grader Fahrenheit.

Teamets forskning, publicerad idag i Naturkommunikation , beskriver deras observation av denna spektakulära atom-för-atom-transformation, bevittnat med hjälp av otroligt kraftfulla mikroskop vid Oak Ridge National Laboratory. Efter att först ha krympt monokliniska hafniumdioxidpartiklar ner till storleken på små kristallnanoroder, de värmde dem gradvis, ägna stor uppmärksamhet åt den streckkodliknande strukturen som kännetecknar varje nanorod och, särskilt, dess par nanoskala, felbildande ränder som verkar fungera som marknoll för övergången.

"I denna studie tittar vi på en liten metalloxidstav som omvandlas från en struktur, vilket är det typiska materialet som finns vid rumstemperatur, till en annan, relaterad struktur vanligtvis inte stabil under 3100 grader Fahrenheit, "sa Guiton, som är docent i kemi vid UK College of Arts &Sciences. "Detta är viktigt eftersom högtemperaturmaterialet har fantastiska egenskaper som gör det till en kandidat att ersätta kiseldioxid i halvledarindustrin, som är byggd på kisel. "

Halvledarindustrin har länge förlitat sig på kiseldioxid eftersom den är tunn, val av icke-ledande lager i det kritiska gapet mellan grindelektroden-ventilen som slår på och av en transistor-och kiseltransistorn. Konsekvent gallring av detta icke-ledande lager är det som gör att transistorer kan bli mindre och snabbare, men Guiton påpekar att det finns något som är för tunt - den punkt där elektroner börjar svänga över barriären, därmed värmer deras omgivning och tappar ström. Hon säger att de flesta av oss har sett och känt detta scenario till viss del (ordspråk avsett), till exempel, när vi tittar på videor på våra telefoner och batteriet dräneras samtidigt när enheten i vår handflata märkbart börjar värmas.

När datorchips blir mindre, snabbare och kraftfullare, deras isolerande lager måste också vara mycket mer robusta - för närvarande en begränsande faktor för halvledarteknik. Guiton säger att denna nya fas av hafnien är en storleksordning som är bättre på att motstå tillämpade fält.

När det gäller att titta på hafnias strukturella övergång mellan dess traditionella monokliniska tillstånd och denna kommersiellt önskvärda tetragonala fas vid nära rumstemperatur, Banerjee säger att det inte är olik populär tv - specifikt "Hall of Faces" i HBO -serien "Game of Thrones".

"I huvudsak, vi har kunnat titta på i realtid, på atom för atom basis, när hafnia förvandlas till en ny fas, ungefär som Arya Stark som tar på sig ett nytt ansikte, "Sa Banerjee." Den nya fasen av hafnia har ett mycket högre 'k' -värde som representerar dess förmåga att lagra avgifter, vilket skulle göra det möjligt för transistorer att arbeta riktigt snabbt samtidigt som de bara sippar på ström istället för att ta bort det. Ränderna visar sig vara riktigt viktiga, eftersom det är där övergången börjar när hafniet tappar sina ränder. "

Arroyave krediterar information i realtid i atomskala för att göra det möjligt för gruppen att ta reda på att transformationen sker på ett mycket annorlunda sätt på nanoskala nivåer än den gör inom de makroskopiska partiklarna som resulterar i hafnias monokliniska form. Det faktum att det är nanoskala i första hand är varför han säger att övergången sker vid, eller mycket närmare, rumstemperatur.

"Genom syntes på nanoskala, 'höjden' på energibarriären som skiljer de två formerna har krympt, gör det möjligt att observera tetragonal hafnia vid mycket lägre temperaturer än vanligt, "Arroyave sa." Detta pekar mot strategier som kan användas för att stabilisera en mängd användbara materialformer som kan möjliggöra ett brett spektrum av funktioner och tillhörande teknik. Detta är bara ett exempel på de stora möjligheter som finns när vi börjar utforska det 'metastabila' materialutrymmet. "

Banerjee säger att denna studie föreslår ett sätt att stabilisera den tetragonala fasen vid verklig rumstemperatur - vilket han noterar att hans grupp tidigare uppnådde via en annan metod förra året - och stora konsekvenser för snabba, transistorer med låg strömförbrukning som kan styra ström utan att dra ström, sänka hastigheten eller producera värme.

"Möjligheterna är oändliga, inklusive ännu kraftfullare bärbara datorer som inte värms upp och sippar på strömmen från sina batterier och smarta telefoner som håller sig lugna och fortsätter, ", Säger Banerjee." Vi försöker tillämpa samma knep på andra polymorfer av hafniumdioxid och andra material - isolera andra faser som inte lätt stabiliseras vid rumstemperatur men också kan ha konstiga och önskvärda egenskaper. "