Ricercatori della Brown University e dell’Università del Michigan hanno realizzato qualcosa che fino ad ora gli scienziati avevano solo immaginato. Disponendo con cura minuscole particelle d’argento in strutture appositamente create, hanno creato e stabilizzato uno stato della materia precedentemente irraggiungibile, che esisteva solo nei modelli teorici.
Lo studio, pubblicato su Science , descrive uno stato strutturale intermedio che si manifesta durante una trasformazione tra due comuni configurazioni cristalline presenti nei metalli. Oltre a rivelare nuovi dettagli su come avvengono queste trasformazioni, il materiale appena creato presenta un comportamento ottico insolito che potrebbe rivelarsi utile in futuro per il calcolo quantistico e altre tecnologie dell’informazione quantistica.
Più in generale, la ricerca dimostra una nuova strategia per progettare materiali partendo dalle basi, assemblando nanoparticelle appositamente ingegnerizzate in strutture completamente nuove con proprietà personalizzate.
“Il nostro lavoro è un po’ come quello di bambini che giocano con i mattoncini LEGO”, ha affermato Ou Chen, professore associato di chimica alla Brown University e autore corrispondente della ricerca. “Sintetizziamo elementi costitutivi unici su scala nanometrica e li impiliamo in strutture interessanti. In questo caso, siamo stati in grado di stabilizzare queste strutture di transizione teorizzate e di dimostrare importanti proprietà ottiche quantistiche.”
Catturare una fase mancante nelle trasformazioni cristalline
Molti materiali metallici organizzano naturalmente i loro atomi in una delle due configurazioni cristalline note come cubica a facce centrate (FCC) e cubica a corpo centrato (BCC).
In una struttura FCC, le particelle sono impacchettate nel modo più compatto possibile. Occupano ogni angolo del cubo, così come il centro di ogni faccia. Una struttura BCC è leggermente meno densa, con le particelle situate agli angoli del cubo e una singola particella al centro del cubo stesso.
Alcuni metalli possono passare da una struttura all’altra quando riscaldati. Il ferro, ad esempio, passa da una struttura BCC a una struttura FCC a 912 gradi Celsius.
Gli scienziati hanno proposto diverse spiegazioni su come avvenga questa trasformazione. Un modello principale, noto come percorso di Nishiyama-Wassermann, prevede una serie di strutture intermedie di breve durata che si formano durante la transizione. Poiché queste fasi intermedie sono altamente instabili, è stato estremamente difficile osservarle direttamente.
Questo nuovo studio è riuscito a ricreare e stabilizzare questi stati strutturali fugaci utilizzando nanoparticelle d’argento.
“Gli scienziati dei materiali si interessano da tempo a come controllare la quantità di fasi FCC e BCC nei loro metalli, ma le transizioni tra queste fasi sono state difficili da studiare perché sono molto instabili”, ha affermato Tim Moore, coautore dello studio e assistente di ricerca presso il laboratorio di Sharon Glotzer all’Università del Michigan. “Essere in grado di osservare queste strutture rappresenta una svolta fondamentale nella scienza dei materiali e ci offre un maggiore controllo sull’ingegneria dei nanomateriali.”
Creazione di nuovi materiali a partire da nanoparticelle personalizzate
Per creare le nuove strutture, i ricercatori hanno sintetizzato nanoparticelle d’argento a forma di ottaedri troncati, che hanno chiamato “mecons”. Queste particelle assomigliano a un diamante con gli angoli smussati, creando una geometria a 14 lati.
Secondo Chen, la forma è particolarmente utile perché si colloca tra una sfera e un cubo, due forme che si impacchettano naturalmente in modi diversi.
Il team, guidato dal ricercatore senior e autore principale dello studio Yasutaka Nagaoka, ha regolato le condizioni di riscaldamento durante la sintesi per produrre meconi con diversi gradi di rotondità e caratteristiche cubiche. Hanno poi rivestito le particelle con lunghe catene molecolari che hanno agito come connettori adesivi e hanno permesso loro di assemblarsi in strutture ordinate più grandi, note come superreticoli di nanoparticelle.
Combinando osservazioni di laboratorio con simulazioni computerizzate dettagliate eseguite in collaborazione con il gruppo di Glotzer all’Università del Michigan, i ricercatori hanno scoperto che questi rivestimenti molecolari svolgevano un ruolo fondamentale nella stabilizzazione di disposizioni che corrispondevano alle strutture di transizione previste dal percorso di Nishiyama-Wassermann.
“Potete immaginarli come particelle pelose”, ha detto Moore. “I peli sono abbastanza flessibili da dare alle particelle maggiore libertà di movimento, ma si incastrano anche bene tra loro, permettendo così alle particelle di fondersi insieme.”
Effetti ottici quantistici a temperatura ambiente
I superreticoli d’argento appena assemblati hanno mostrato un’altra proprietà notevole se esposti alla luce.
I ricercatori hanno osservato segni di un forte accoppiamento luce-materia, un fenomeno in cui gli elettroni all’interno delle nanoparticelle d’argento oscillano in perfetta sincronia con le onde luminose e si intrecciano quantisticamente.
Questo tipo di effetti ottici quantistici sono spesso associati a temperature estremamente basse. Tuttavia, il nuovo materiale sembra mostrare questo comportamento a temperatura ambiente.
Questa scoperta potrebbe gettare le basi per lo sviluppo di materiali futuri utilizzati nel calcolo quantistico, nelle tecnologie di rilevamento e in altri sistemi quantistici avanzati.
“Ogni volta che si riesce a identificare una nuova fase della materia, emergono nuove applicazioni”, ha affermato Chen.
La ricerca è stata supportata da molteplici sovvenzioni della National Science Foundation (DMR-1943930, CHE-2203700, EAR−2223273, CBET-2230729, CBET-2230891, 2243104, DMR 140129, 2138259, 2138286, 2138307, 2137603, 2138296) e del Dipartimento dell’Energia (DE-SC0012704, DOE-NNSA, DE-NA-0003975).
Abstract
Negli assemblaggi su scala nanometrica, le osservazioni di strutture nei percorsi di transizione tra reticoli ad alta simmetria sono rare a causa dell’instabilità intrinseca delle fasi intermedie. Riportiamo che nanocristalli d’argento con forme simili a ottaedri troncati (mecon) si autoassemblano in superreticoli stabili che assomigliano a una fase precedentemente non osservata, la quale collega strutture cubiche a facce centrate e a corpo centrato lungo il percorso martensitico di Nishiyama-Wassermann. Questi superreticoli hanno mostrato elevata purezza e stabilità strutturale e hanno creato un paesaggio di fase dissimmetrico robusto e sintonizzabile. In particolare, l’accoppiamento luce-materia è emerso in questi superreticoli di nanocristalli d’argento attraverso l’ibridazione plasmone-fotone a livello quantistico.
Materials provided by Brown University. Note: Content may be edited for style and length.
Yasutaka Nagaoka, Timothy C. Moore, Arseniy Epishin, Zhenyang Liu, Tong Cai, Na Jin, Ken Seungmin Hong, Peter Saghy, Ankai Wang, Yuzi Liu, Sooyeon Hwang, Yusong Bai, Shengli Zou, Ruipeng Li, Stephanie Reich, Sharon C. Glotzer, Ou Chen. Stabilizing in-transition phases of superlattices through shape control of silver nanocrystals. Science, 2026; 392 (6801): 951 DOI: 10.1126/science.ady6472
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