Kada većina ljudi pomisli na kristale, zamišljaju sunčanice koje deluju kao dugine prizme ili poluprovidno kamenje za koje neki veruju da ima isceljujuću moć. Međutim, za naučnike i inženjere, kristali su oblik materijala u kome su njihovi sastojci — atomi, molekuli ili nanočestice — raspoređeni redovno u svemiru. Drugim rečima, kristali su definisani pravilnim rasporedom njihovih sastojaka. Uobičajeni primeri su dijamanti, kuhinjska so ili kocke šećera.
Međutim, u istraživanju koje je upravo objavljeno u Soft Matter, tim predvođen Sangvuom Lijem sa Politehničkog instituta Rensselaer, vanrednim profesorom na Odseku za hemijsko i biološko inženjerstvo, otkrio je da kristalne strukture nisu uvek redovno raspoređene. Ovo otkriće unapređuje polje nauke o materijalima i ima nerealizovane implikacije na materijale koji se koriste za poluprovodnike, solarne panele i tehnologije električnih vozila.
Jedna od najčešćih i najvažnijih klasa kristalnih struktura su čvrsto zbijene strukture pravilnih sfera konstruisane slaganjem slojeva sfera u rasporedu saća. Postoji mnogo načina da se slojevi slažu da bi se konstruisale zbijene strukture, a kako priroda bira specifično slaganje je važno pitanje u istraživanju materijala i fizike. U konstrukciji tesnog pakovanja, postoji veoma neobična struktura sa nepravilno raspoređenim sastojcima poznata kao nasumično slaganje dvodimenzionalnih heksagonalnih slojeva (RHCP). Ova struktura je prvi put primećena od metala kobalta 1942. godine, ali se smatrala prelaznim i energetski nepoželjnim stanjem.
Lijeva istraživačka grupa je prikupila podatke o rasejanju rendgenskih zraka od mekih modelnih nanočestica napravljenih od polimera i shvatila da podaci o rasejanju sadrže važne rezultate o RHCP-u, ali su veoma komplikovani. Zatim je Patrick Underhill, profesor na Rensselaerovom odseku za hemijsko i biološko inženjerstvo, omogućio analizu podataka o rasejanju pomoću superkompjuterskog sistema, Artificial Intelligence Multiprocessing Optimized Sistem (AiMOS), u Centru za računarske inovacije.
„Ono što smo otkrili je da je RHCP struktura, vrlo verovatno, stabilna struktura, i to je razlog što je RHCP široko primećen u mnogim materijalima i prirodnim kristalnim sistemima“, rekao je Li. „Ovaj nalaz dovodi u pitanje klasičnu definiciju kristala.“
Studija pruža uvid u fenomen poznat kao politipizam, koji omogućava formiranje RHCP i drugih zbijenih struktura. Reprezentativni materijal sa politipizmom je silicijum karbid, koji se široko koristi za visokonaponsku elektroniku u električnim vozilima i kao tvrdi materijali za pancire. Nalazi Lijevog tima pokazuju da ti politipski materijali mogu imati kontinuirane strukturne prelaze, uključujući neklasične nasumične aranžmane sa novim korisnim svojstvima.
„Problem kako se meke čestice pakuju izgleda jednostavno, ali čak i na najosnovnija pitanja je teško odgovoriti“, rekao je Kevin Dorfman sa Univerziteta Minesota-Tvin Cities, koji nije povezan sa ovim istraživanjem. „Ovaj rad pruža ubedljive dokaze za kontinuiranu tranziciju između kubnih (FCC) i heksagonalnih zatvorenih (HCP) rešetki, što implicira stabilnu nasumično heksagonalno zbijenu fazu između njih, i na taj način čini važan proboj u nauci o materijalima.“
„Posebno sam zadovoljan ovim otkrićem, koje pokazuje moć naprednog računanja da napravi važan proboj u nauci o materijalima dekodiranjem struktura na molekularnom nivou u mekim materijalima“, rekao je Shekhar Garde, dekan Rensselaerove škole inženjeringa. „Rad Lija i Underhilla u Rensselaer-u takođe obećava da će otvoriti mogućnosti za mnoge tehnološke primene za ove nove materijale.
Liju i Underhillu su se u istraživanju pridružili Rensselaerov Juhong An, Liven Chen sa Univerziteta za nauku i tehnologiju u Šangaju i Guillaume Freichet i Mikhail Zhernenkov iz Brookhaven National Laboratori.
