Var det i fysik, metallurgi, gemologi eller teknik, tillämpningarna av kristaller är mycket breda. Ett forskarlag inklusive Christos Likos och Lorenzo Rovigatti från fakulteten för fysik vid universitetet i Wien, i samarbete med National Institute of Standards and Technology (NIST, USA) och Princeton University (USA) har utvecklat en ny metod för att montera stora, periodiska kristaller. Resultaten har publicerats i tidningen ACS Nano .

Kristaller är fasta material som består av mikroskopiska byggstenar arrangerade i högt ordnade mönster. De har otaliga applikationer, allt från metallurgi till smycken till elektronik. Många av egenskaperna som gör kristaller användbara beror på det detaljerade arrangemanget av deras beståndsdelar, som, i tur och ordning, är mycket känslig för detaljerna i samspelet mellan byggstenarna. I molekylära och atomära kristaller är de interpartikulära krafterna fixerade av naturen, och det enda sättet att ställa in det mikroskopiska arrangemanget är att antingen variera de yttre förhållandena (temperatur, tryck, etc.) eller ändra själva partiklarna. Däremot insoft materia Fysik, där byggstenarna är storleksordningar större och mycket mer komplexa än atomer, det är möjligt att designa och konstruera byggstenar med extremt avstämbara egenskaper. Följaktligen, mycket ansträngning har ägnats åt syntesen av kolloider som självbildas till högst symmetriska mönster med tekniskt relevanta egenskaper. Till exempel, det finns specifika kristallgitter som uppvisar mycket spännande optiska egenskaper, de så kallade fotoniska kristallerna – periodiska strukturer som tillåter vissa band av ljusvåglängder att fortplanta sig genom deras inre samtidigt som de blockerar andra.

Ett naturligt exempel på en fotonisk kristall är opalen, vars fascinerande färg beror på hur ljuset interagerar med dess mikroskopiska struktur av kolloidala partiklar arrangerade på ett vanligt galler. Den mångfärgade skimrandet av den dyrbara opalen, källan till dess charmiga utseende, beror på närvaron av flera små kristaller, känd som kristalliter, som är slumpmässigt orienterade i förhållande till varandra. Dessutom, sammansättningen av kolloidala kristaller förvirras ofta av polymorfism:"Olika strukturer kännetecknas av jämförbara termodynamiska stabiliteter, gör det svårt att producera en enda morfologi efter behag", säger Christos Likos från fakulteten för fysik vid universitetet i Wien.

Den resulterande bristen på ordning på lång räckvidd är skadlig för många applikationer. Följaktligen, strategier måste utvecklas som ökar tillväxten av långvariga, monokristallina prover i (verkliga eller numeriska) experiment. Följaktligen, forskare har arbetat hårt för att utveckla strategier som ökar tillväxten av stora, monokristallina strukturer. Använda datorsimuleringar, en ny metod har nu utvecklats som möjliggör montering av tekniskt relevanta, icke-polymorfa kristaller. "Systemet kristalliserar till en blandning av olika mikrokristaller. de konkurrerande strukturerna sammansatta av kolloiderna har olika geometrier och olika inre hålrumsfördelningar. Denna skillnad kan utnyttjas genom att justera storleken på polymertillsatsen för att interagera unikt med tomrumssymmetrin hos den önskade kristallen, effektivt stabilisera den mot konkurrenten", förklarar Lise-Meitner-stipendiat Lorenzo Rovigatti, arbetar i gruppen av Christos Likos.

Resultaten från forskargruppen tjänar inte bara till att illustrera ett alternativ till befintliga metoder som, i många fall, ger otillfredsställande resultat, men också för att vägleda experimentella realiseringar av högordnade kolloidala öppna kristaller i en nära framtid.