Quasi-cristalli si formano in grandi grani che vibrano

I quasi-cristalli sono strutture uniche che non seguono i tradizionali schemi ripetuti visti nei cristalli normali. Sono stati scoperti per la prima volta circa trent'anni fa in una lega metallica e hanno cambiato il nostro modo di vedere le strutture cristalline. Queste strutture sono state trovate in vari materiali, sia a piccole che a grandi scale, da particelle nano a oggetti di dimensioni micrometriche. Esperimenti recenti hanno dimostrato che formazioni quasi-cristalline possono verificarsi in contesti più grandi, specificamente in una configurazione che coinvolge grani sferici macroscopici vibrati su una superficie piatta.

Lo studio è iniziato con un sistema di grani sferici inizialmente in uno stato disordinato, simile a un liquido. Man mano che i grani vibravano, hanno iniziato a organizzarsi in forme distinte. I grani hanno formato due tipi di disposizioni: piastrelle quadrate e triangolari. Col tempo, queste piastrelle si sono allineate in modo tale da assemblarsi in una struttura che mostra simmetria a otto facce – un modello che era stato previsto solo nei modelli al computer ma mai visto in materiali reali. Questa scoperta è importante perché apre nuove strade per capire come tali strutture possano formarsi spontaneamente.

Il viaggio nei quasi-cristalli è iniziato nel 1982 quando uno scienziato di nome Shechtman scoprì schemi insoliti in una lega. I modelli, noti come picchi di Bragg, avevano una simmetria che secondo la cristallografia tradizionale non dovrebbe esistere. Inizialmente, questa idea ha incontrato scetticismo perché sfidava la visione consolidata che i cristalli devono avere un'unità ripetitiva regolare. Tuttavia, questa idea è cresciuta nel tempo e ha portato al riconoscimento dei quasi-cristalli, che possono mostrare ordine senza una struttura ripetitiva.

Da allora, gli scienziati hanno osservato schemi quasi-cristallini in vari materiali artificiali e persino in minerali naturali. Negli ultimi anni, i ricercatori hanno iniziato a cercare questi schemi in sistemi di materia soft come polimeri e nanoparticelle. Questa linea di indagine solleva due domande importanti: quanto possono essere grandi queste strutture quasi-cristalline e quali ingredienti sono necessari per la loro formazione?

Studi precedenti hanno mostrato che i quasi-cristalli possono autoassemblarsi a varie scale a seconda della natura dei materiali coinvolti. I più grandi quasi-cristalli trovati finora sono composti da strutture di dimensioni micrometriche. La seconda domanda è più complessa ed è stata studiata usando simulazioni al computer. Modelli base di particelle interagenti sono stati utilizzati per esplorare come si forma l'ordine quasi-cristallino da diverse forze, siano esse attrattive o repulsive.

È interessante notare che le simulazioni hanno dimostrato che una semplice miscela di diverse particelle a forma di disco può portare alla formazione di quasi-cristalli nelle giuste condizioni. Questo suggerisce che l'ordine possa emergere in questi sistemi a causa del loro assetto piuttosto che semplicemente a causa del movimento termico. Tuttavia, studiare tali fenomeni in Materiali Granulari, dove le particelle sono costantemente in movimento e l'energia viene persa per attrito, è rimasto in gran parte inesplorato fino ad ora.

Per indagare ulteriormente queste idee, i ricercatori si sono rivolti a materiali granulari. Questi materiali offrono un terreno ricco per osservare fenomeni non in equilibrio, poiché il loro comportamento può cambiare drasticamente in base a forze esterne. Quando i grani sono confinati e vibrati, possono comportarsi come un liquido o un solido e possono sperimentare varie transizioni. Nonostante questo potenziale, la formazione spontanea di quasi-cristalli in questi sistemi non era stata documentata precedentemente in esperimenti o simulazioni.

In un recente studio, i ricercatori hanno riportato osservazioni sia sperimentali che computazionali dell'ordine quasi-cristallino in una miscela di grani sferici di dimensioni millimetriche vibrati. Hanno scoperto che anche a questa scala più grande, dove il movimento termico è meno preoccupante, i quasi-cristalli possono ancora formarsi attraverso un processo di auto-organizzazione. Il sistema opera al di fuori dell'equilibrio a causa dell'attrito e delle forze esterne applicate ai grani.

Negli esperimenti, il team ha utilizzato un setup specifico che coinvolgeva grani sferici in acciaio confinati in uno spazio quasi bidimensionale che veniva vibrato usando un shaker. Man mano che i grani si muovevano, venivano filmati per tenere traccia delle loro posizioni nel tempo. I ricercatori hanno scelto di usare dimensioni e condizioni dei grani simili a quelle usate nelle simulazioni al computer, consentendo un confronto efficace.

I risultati degli esperimenti hanno mostrato che con una vibrazione appropriata, i grani hanno formato spontaneamente un quasi-cristallo a otto facce. Durante una corsa sperimentale di sette giorni, i ricercatori hanno osservato il processo di formazione delle piastrelle e l'ordinamento delle piastrelle in strutture più grandi. Mentre le singole piastrelle si formavano rapidamente grazie a un efficace imballaggio, raggiungere un assetto globalmente organizzato richiedeva molto più tempo, evidenziando la complessità del processo di auto-assemblaggio.

I ricercatori hanno osservato che diversi tipi di piastrelle, comprese quelle disallineate, cambiavano in quantità nel tempo. Le piastrelle allineate inizialmente aumentavano ma alla fine si stabilizzavano, mentre le piastrelle disallineate mostravano più fluttuazioni. Lo studio ha anche notato che la struttura finale del quasi-cristallo cresceva dai bordi verso il centro, indicando uno sviluppo graduale piuttosto che una formazione immediata.

Un aspetto interessante dei risultati è l'orientamento dei legami delle piastrelle. L'orientamento non era uniforme ma si allineava lungo otto direzioni principali, suggerendo un forte ordine sottostante. La presenza di muri rigidi del contenitore ha anche influenzato questo allineamento, favorendo orientamenti particolari. Questo suggerisce che i confini possano giocare un ruolo significativo nell'emergere dell'ordine nei sistemi granulari.

È curioso notare che le osservazioni in tempo reale delle strutture quasi-cristalline durante il processo di assemblaggio sono rare negli studi scientifici. La maggior parte delle tecniche consente solo l'analisi della struttura finale, rendendo questa ricerca notevole per la sua capacità di seguire i cambiamenti nelle configurazioni nel tempo. I risultati aiutano a fare luce su come queste strutture uniche si sviluppano e le dinamiche coinvolte nel loro assemblaggio.

In sintesi, la ricerca ha dimostrato che la formazione di quasi-cristalli non è limitata a piccole scale o tipi specifici di materiali; può verificarsi anche in sistemi più grandi e macroscopici. Questo amplia la comprensione del comportamento dei quasi-cristalli oltre i contesti tradizionali e apre nuove vie per esplorare come diverse forze e disposizioni contribuiscano all'emergere di strutture complesse in vari materiali. Le intuizioni ottenute da questi studi potrebbero portare a progressi nella scienza dei materiali, specialmente nello sviluppo di nuovi materiali e dispositivi che utilizzano le proprietà uniche dei quasi-cristalli.