La deformazione meccanica genera chiralità
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La deformazione meccanica è uno degli strumenti più comuni utilizzati per modulare le proprietà dei materiali. Nei materiali piezoelettrici, l’allungamento o la compressione di un cristallo genera una polarizzazione elettrica. Nei materiali piezomagnetici, invece, induce la magnetizzazione. I ricercatori del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) e dell’Università di Oxford hanno ora scoperto che la deformazione meccanica induce anche la chiralità nei cristalli non chirali, aprendo una nuova strada per controllare questa proprietà a piacimento e potenzialmente imprimere proprietà elettroniche chirali. Questo lavoro è stato appena pubblicato su Nature.
La chiralità è un’importante proprietà della materia. È definita come una proprietà degli oggetti che non possono essere sovrapposti alle loro immagini speculari attraverso alcuna combinazione di rotazioni o traslazioni, proprio come le mani destra e sinistra, che sono distinte l’una dall’altra. Nei cristalli chirali, la disposizione spaziale degli atomi dà origine a una specifica «manualità», con la struttura cristallina che si attorciglia lungo una direzione di propagazione in modo simile a una vite. Di conseguenza, la propagazione in una direzione, ad esempio di una corrente elettrica, può incontrare una resistenza diversa rispetto a quella che si propaga nella direzione opposta. Questo effetto influenza anche alcune reazioni chimiche e processi biologici, che favoriscono una specifica orientazione. In questo senso, la capacità di controllare la chiralità a piacimento, trasformando una struttura destrorsa in una sinistrorsa, è molto auspicabile.
Tuttavia, «a differenza della polarizzazione elettrica o della magnetizzazione, la chiralità non disponeva finora di uno strumento fisico generale per il controllo esterno», osserva Zhiyang Zeng, primo autore di questo studio. I ricercatori dell’MPSD hanno ora dimostrato che la deformazione meccanica fornisce proprio tale strumento. Anziché sintetizzare un materiale chirale, partono da un cristallo che non è chirale nel suo stato non deformato. L’applicazione di una deformazione riorganizza le posizioni degli atomi nel cristallo quanto basta per creare una struttura sinistrorsa o destrorosa.
Per dimostrare questo effetto, il team ha monitorato la comparsa dell’attività ottica del cristallo – una firma caratteristica della chiralità – mentre applicava una deformazione meccanica controllata. È sorprendente che l’orientamento dello stato chirale indotto sia determinato dalle condizioni di deformazione. La deformazione in trazione e in compressione genera orientamenti opposti, mentre l’applicazione della deformazione lungo diverse direzioni cristalline offre un altro modo per selezionare lo stato chirale risultante. «Poiché la deformazione è reversibile, la chiralità indotta può essere generata, rimossa e selezionata ripetutamente», spiega Michael Först, coautore di questa pubblicazione.
Oltre a dimostrare l’effetto sperimentalmente, il team ha stabilito un quadro teorico che rivela quando la simmetria cristallina consente il verificarsi di questo effetto piezochirale. Lo ha utilizzato per compilare una banca dati ad accesso libero di materiali candidati ( https://piezochiral.org ), consentendo ai ricercatori di tutto il mondo di cercare ed esplorare cristalli piezochirali.
Questo lavoro definisce una nuova strategia per l’ingegnerizzazione della chiralità. Anziché essere fissata in modo permanente dalla crescita cristallina o dalla sintesi chimica, la chiralità può ora essere generata, controllata e attivata a richiesta in un materiale originariamente achirale. Ciò apre nuove opportunità per il controllo dei materiali meccanicamente riconfigurabili.
«Abbiamo denominato questo fenomeno “effetto piezochirale”», afferma Andrea Cavalleri, che ha guidato la ricerca ad Amburgo (in collaborazione con Paolo Radaelli dell’Università di Oxford). «Consente di indurre la chiralità in substrati per un’ampia varietà di film sottili o in materiali massicci e potrebbe aprire la strada a strategie volte, ad esempio, a creare nuovi tipi di proprietà chirali come la superconduttività».
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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