Materiali bidimensionali ultrasottili osservati per la prima volta in uno stato intermedio tra solido e liquido
Nuove intuizioni sulle transizioni di fase a livello atomico nei materiali reali
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Quando il ghiaccio si scioglie in acqua, ciò avviene rapidamente e il passaggio da solido a liquido è immediato. Tuttavia, i materiali molto sottili non rispettano queste regole. È qui che nasce uno stato insolito tra solido e liquido: la fase esatica. I ricercatori dell'Università di Vienna sono ora riusciti a osservare direttamente questa fase esotica in un cristallo atomicamente sottile. Utilizzando una microscopia elettronica all'avanguardia e reti neurali, hanno filmato un cristallo di ioduro d'argento protetto da grafene mentre si scioglieva. I materiali ultrasottili e bidimensionali hanno permesso ai ricercatori di osservare direttamente i processi di fusione a livello atomico. Le nuove scoperte contribuiscono in modo significativo alla comprensione di queste transizioni di fase. Sorprendentemente, le osservazioni contraddicono le precedenti previsioni - un risultato che è stato pubblicato su Science.
Quando il ghiaccio si scioglie, tutto avviene molto rapidamente: non appena viene raggiunta la temperatura di fusione, la struttura solida e ordinata del ghiaccio si trasforma bruscamente in acqua liquida e disordinata. Una transizione così brusca è tipica del comportamento di fusione di tutti i materiali tridimensionali, dai metalli e dai minerali alle bevande ghiacciate.
Tuttavia, quando un materiale diventa così sottile da essere praticamente bidimensionale, le regole della fusione cambiano drasticamente. Tra la fase solida e quella liquida può emergere una nuova, esotica fase intermedia della materia, nota come "fase esatica". Questa fase esatica, prevista per la prima volta negli anni '70, è uno strano stato ibrido. Il materiale si comporta come un liquido, in cui le distanze tra le particelle sono irregolari, ma in una certa misura anche come un solido, poiché gli angoli tra le particelle rimangono relativamente ben ordinati.
Poiché finora questa fase è stata osservata solo in sistemi modello molto più grandi, come le sfere di polistirene densamente impacchettate, in precedenza non era chiaro se potesse verificarsi anche in materiali di uso quotidiano legati in modo covalente. Il team di ricerca internazionale guidato dall'Università di Vienna è ora riuscito a dimostrare proprio questo: gli scienziati sono riusciti a osservare per la prima volta questo processo in cristalli atomicamente sottili di ioduro d'argento (AgI), risolvendo così un mistero vecchio di decenni. I risultati non solo confermano l'esistenza di questo stato sfuggente nei materiali fortemente legati, ma forniscono anche nuove sorprendenti intuizioni sulla natura della fusione in due dimensioni.
I "sandwich di grafene" rendono possibile la nuova osservazione
Per ottenere questa scoperta, i ricercatori hanno sviluppato un metodo ingegnoso per studiare il processo di fusione di cristalli fragili e atomicamente sottili. Hanno inserito un singolo strato di cristallo di ioduro d'argento tra due strati di grafene. Questo "sandwich" protettivo ha impedito al fragile cristallo di ripiegarsi su se stesso durante il processo di fusione. Utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione a scansione (STEM) di ultima generazione, il team ha riscaldato gradualmente il campione a oltre 1.100 °C e ha filmato in tempo reale il processo di fusione a livello atomico.
"Senza l'uso di strumenti di intelligenza artificiale come le reti neurali, sarebbe stato impossibile tracciare tutti questi singoli atomi", spiega Kimmo Mustonen dell'Università di Vienna, autore senior dello studio. Il team ha addestrato la rete con enormi quantità di dati simulati prima di elaborare le migliaia di immagini ad alta risoluzione generate dall'esperimento.
La loro analisi ha rivelato un risultato notevole: all'interno di una stretta finestra di temperatura - circa 25 °C al di sotto del punto di fusione dell'AgI - è apparsa una chiara fase esatica. Misure supplementari di diffrazione elettronica hanno confermato questa scoperta e fornito una forte prova dell'esistenza di questo stato intermedio in materiali atomicamente sottili e fortemente legati.
Un nuovo capitolo della fisica della fusione
Lo studio ha anche rivelato una svolta inaspettata. Secondo le teorie precedenti, le transizioni da solido a esatico e da esatico a liquido dovrebbero essere continue. Tuttavia, i ricercatori hanno osservato che mentre la transizione da solido a esatico era effettivamente continua, quella da esatico a liquido era brusca, simile alla fusione del ghiaccio in acqua. "Questo indica che la fusione nei cristalli covalenti bidimensionali è molto più complessa di quanto si pensasse", afferma David Lamprecht dell'Università di Vienna e dell'Università di Tecnologia di Vienna (TU), uno degli autori principali dello studio insieme a Thuy An Bui, sempre dell'Università di Vienna.
Questa scoperta non solo sfida le previsioni teoriche di lunga data, ma apre anche nuove prospettive nello studio dei materiali a livello atomico. "Kimmo e i suoi colleghi hanno dimostrato ancora una volta quanto possa essere potente la microscopia a risoluzione atomica", afferma Jani Kotakoski, responsabile del gruppo di ricerca dell'Università di Vienna.
I risultati dello studio non solo approfondiscono la nostra comprensione della fusione in due dimensioni, ma sottolineano anche il potenziale della microscopia avanzata e dell'intelligenza artificiale nell'esplorazione delle frontiere della scienza dei materiali.
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