Tre år sedan, när Richard Robinson, docent i materialvetenskap och teknik, var på sabbatsår vid Hebrew University i Israel, han bad en doktorand att skicka några nanopartiklar av en viss storlek till honom.

"När de kom till mig, Jag mätte dem med spektrometern och jag sa, 'Vänta, du skickade mig de mindre partiklarna istället för de större.' Och han sa, 'Nej, Jag skickade dig de större, ", minns Robinson, av hans samtal med sin rådgivare Curtis Williamson, en doktorand i kemi- och biomolekylär teknik. "Vi insåg att de måste ha förändrats medan de var i flykt. Och det släppte lös en kaskad av frågor och experiment som ledde oss till detta nya fynd."

De drog slutsatsen att partiklarna hade förvandlats under deras resa från Ithaca till Jerusalem. Denna insikt ledde till upptäckten av oorganisk isomerisering, där oorganiska material kan växla mellan diskreta tillstånd nästan omedelbart – snabbare än ljudets hastighet. Fyndet överbryggar gapet mellan vad som är känt om fasförändringar i organiska molekyler, som de som gör syn möjlig, och i bulkmaterial, som övergången av grafit till diamanter.

Deras fynd var överraskande eftersom det antydde att oorganiska material kunde omvandlas som organiska molekyler, sa Robinson, medförfattare till tidningen, "Kemiskt reversibel isomerisering av oorganiska kluster, " som publicerades 15 februari in Vetenskap .

"Vi fann att om du krymper oorganiskt material tillräckligt litet, den kan lätt hoppa fram och tillbaka mellan två diskreta faser, initieras av små mängder alkohol eller fukt på ytan, " sa Robinson. "På flyget måste det ha varit fukt i lastbehållaren, och proverna bytte fas."

Williamson är tidningens första författare. Senior författare är Robinson; Tobias Hanrath, docent vid Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering; och Uri Banin, professor i kemi vid hebreiska universitetet. Douglas Nevers, Ph.D. '18, Andrew Nelson, doktorand i materialvetenskap och teknik, och Ido Hadar från Hebrew University bidrog också.

"Vi överbryggade de två världarna mellan stora material som förändras långsammare, och liten, organiska material som kan vända fram och tillbaka sammanhängande, mellan två stater, " sa Robinson. "Det är förvånande att vi såg en momentan transformation från ett tillstånd till ett annat i ett oorganiskt material, och det är förvånande att det initieras med en enkel ytreaktion."

Isomerisering – omvandlingen av en molekyl till en annan molekyl med samma atomer, bara i ett annat arrangemang – är vanligt till sin natur. Ofta utlöses det av tillsats av energi, som när ljus får en molekyl i näthinnan att byta, möjliggör vision; eller hur olivolja, när det värms upp för högt, isomeriserar till den ohälsosamma formen som kallas transfett. Bulkmaterial som grafit kan också ändra faser, men de kräver mycket mer energi än på molekylär nivå och förändringen sker mer gradvis, med förändringen som sprider sig över ämnet snarare än en omedelbar omvandling.

Förr, större nanopartiklar visade sig ändra faser på ett sätt som var närmare hur bulkmaterial förändras än molekyler. Men när Cornell-teamet tittade på ännu mindre kluster av atomer vid Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS), de observerade den snabba växlingen mellan diskreta tillstånd för första gången.

"Vi ser nu äntligen att det finns en ny regim där du kan växla från en stat till en annan omedelbart, Hanrath sa. "Om du gör dem tillräckligt små, de oorganiska materialen kan vända fram och tillbaka mycket lätt. Det är en uppenbarelse."

Robinson sa att forskarna inte skulle ha kunnat exakt bestämma atomernas positioner utan CHESS, där de utförde totalspridningsexperiment där de undersökte alla röntgenspridningar i klustret, gör det möjligt för dem att lokalisera atomerna.

De fick också hjälp av en ny teknik som de utvecklade för att skapa magiska kluster – så kallade eftersom de har det "perfekta" antalet atomer och inga fler enskilda atomer kan läggas till, vilket gör dem extremt stabila.

"Vi kunde komma på ett mycket rent magiskt kluster, " sa Robinson. "På grund av det, när det reagerar med alkoholen eller vattnet ser du en mycket ren omvandling" från ett diskret tillstånd till ett annat.

Även om ytterligare forskning behövs, möjliga framtida tillämpningar inkluderar att använda dessa partiklar som switchar i datorer eller som sensorer, sa Robinson. Upptäckten kan också ha användningsområden relaterade till kvantberäkning eller som ett frö för generering av större nanopartiklar.