Vissa organiska kristaller hoppar runt när de värms upp. Detta sker på grund av en extremt snabb förändring i deras kristallstruktur. I journalen Angewandte Chemie , forskare har nu visat att kristallerna skickar ut akustiska signaler under denna process, vilket kan vara användbart för att analysera egenskaperna hos detta fenomen. Forskarna visade att denna process är analog med martensitiska övergångar som observerats i stål och vissa legeringar.

Martensit är en form av stål som tillverkas genom att härda austenit, och ger sitt namn till en viss typ av fasövergång. Den snabba kylningen av austeniten tillåter inte atomerna att anta sin föredragna struktur vid den lägre temperaturen. Istället, de rör sig unisont för att bilda martensitgittret. I hoppande kristaller, ett stort antal atomer ändrar också sina gitterpositioner samtidigt. Den höga hastigheten av detta fenomen och det faktum att kristallerna ofta exploderar har tidigare gjort det omöjligt att bevisa denna teori, förstå detaljerna, och utnyttja denna termosalient effekt, som det är känt. Hoppkristallernas förmåga att mycket snabbt omvandla värme till rörelse eller arbete är potentiellt användbar för utveckling av konstgjorda muskler eller mikroskaliga robotarmar.

Utgående från antagandet att det plötsliga släppet av den ackumulerade elastiska spänningen i hoppande kristaller resulterar i relativt starka akustiska vågor, liknande seismiska vågor från en jordbävning, teamet från New York University Abu Dhabi, den tyska elektronsynkrotronen (DESY) i Hamburg, och Max Planck Institute for Solid State Research i Stuttgart började jobba. Leds av Panče Naumov, forskarna valde att studera kristaller av den vegetabiliska aminosyran L-pyroglutaminsyra (L-PGA). Dessa hoppande kristaller ändrar sin kristallstruktur när de värms upp till mellan 65 och 67 °C; de återgår till sin startstruktur vid kylning mellan 55,6 och 53,8 °C, såsom demonstreras genom röntgenkristallografi med synkrotronstrålning.

Som postulerat, kristallerna avger tydliga akustiska signaler under övergången. Dessa signaler kan registreras med en piezoelektrisk sensor. Numret, amplitud, frekvens, och formen på signalerna gav forskarna information om dynamiken och mekanismen för effekten. Intensiteten och energin för den initiala akustiska vågen var betydligt högre och stigtiden kortare än för efterföljande vågor. Anledningen till detta är den mer effektiva utbredningen av den elastiska vågen genom det defektfria mediet i början av fasövergången. När övergången fortskrider, antalet mikrosprickor ökar, vilket minskar den elastiska spänningen.

Fasgränsen mellan de olika kristallstrukturerna fortskrider med 2,8 m/s i L-PGA, vilket är flera tusen gånger snabbare än andra fasövergångar. Dock, de två kristallstrukturerna är mer lika varandra än förväntat. Övergången innebär expansioner i två dimensioner och en sammandragning i den tredje, allt i intervallet endast 0,5-1,7 procent.

"Vår studie visar att de hoppande kristallerna är en klass av material som är analoga med oorganisk martensit, och detta kan vara av enorm betydelse för applikationer som helt organisk elektronik", säger Naumov. "Akustiska emissionstekniker ger äntligen direkt insikt i dessa snabba övergångar. Våra resultat indikerar att organiskt material som normalt uppfattas som mjukt och skört, och mycket hårdare material, såsom metaller och metallegeringar är, åtminstone på molekylär nivå, inte så annorlunda. Forskningen om det organiska fasta tillståndet kan ge oss möjlighet att få en bättre förståelse för de relaterade makroskopiska effekterna."