一项新的研究发现，在半导体和太阳能电池板等材料科学和技术中至关重要的晶体结构并不一定总是有规律地排列。他们发现，六方层(RHCP)的随机堆叠，以前被认为是一种过渡状态，可能是稳定的，可以为多型材料提供新的有用的特性，如用于高压电子产品和防弹衣的碳化硅。
对许多人来说，“水晶”这个词会让人联想到闪闪发光的遮阳板，形成彩虹色的棱镜，或者被认为具有治疗能力的半透明石头。但在科学和工程领域，晶体的定义更具技术性。它们被认为是一种材料，其组成部分——无论是原子、分子还是纳米粒子——在空间中有规律地排列。换句话说，晶体是由其成分的规则排列来定义的。熟悉的例子包括钻石、食盐和方糖。
Sangwoo李。来源:伦斯勒理工学院
与这个被广泛接受的定义相反，最近由伦斯勒理工学院化学与生物工程系副教授Sangwoo Lee领导的一项研究揭示了晶体结构的一个有趣方面，揭示了晶体内部成分的排列不一定总是规则的。
这一发现推动了材料科学领域的发展，并对半导体、太阳能电池板和电动汽车技术的材料产生了尚未实现的影响。
晶体结构中最常见和最重要的一类是由球层以蜂窝状排列堆叠而成的规则球体的紧密排列结构。层叠的方式有很多种，自然如何选择特定的层叠是材料和物理研究中的一个重要问题。在紧密堆积的结构中，有一种非常不寻常的结构，它的成分间距不规则，被称为二维六边形层的随机堆叠(RHCP)。这种结构最早是在1942年从钴金属中观察到的，但它被认为是一种过渡性的、能量上不受欢迎的状态。
Lee的研究小组收集了由聚合物制成的软模型纳米粒子的x射线散射数据，并意识到散射数据包含了RHCP的重要结果，但非常复杂。然后，伦斯勒化学与生物工程系教授帕特里克·安德希尔(Patrick Underhill)在计算创新中心使用超级计算机系统人工智能多处理优化系统(aiMOS)对散射数据进行了分析。
李说:“我们发现，RHCP结构很可能是一种稳定的结构，这就是RHCP在许多材料和自然存在的晶体系统中被广泛观察到的原因。”“这一发现挑战了晶体的经典定义。”
这项研究提供了对多型现象的见解，这种现象使RHCP和其他紧密排列的结构得以形成。具有多型性的代表性材料是碳化硅，广泛用于电动汽车的高压电子器件和防弹衣的硬质材料。李的研究小组的发现表明，这些多型材料可能具有连续的结构转变，包括具有新有用特性的非经典随机排列。
“软粒子如何堆积的问题似乎很简单，但即使是最基本的问题也很难回答，”明尼苏达大学双子城分校的凯文·多尔夫曼(Kevin Dorfman)说，他与这项研究无关。“这篇论文为面心立方(FCC)和六边形密排(HCP)晶格之间的连续过渡提供了令人信服的证据，这意味着它们之间存在稳定的随机六边形密排相，因此在材料科学上取得了重要突破。”
伦斯勒工程学院院长谢卡尔·加德说:“我对这一发现感到特别高兴，它显示了先进计算的力量，通过解码软材料的分子水平结构，在材料科学方面取得了重要突破。”“Lee和Underhill在Rensselaer的工作也有望为这些新材料的许多技术应用开辟机会。”
参考文献:“通过稳定随机顺序的胶体晶体连续跃迁”，作者:Ahn Juhong, Liwen Chen, Patrick T. Underhill, Guillaume Freychet, Mikhail Zhernenkovc和Sangwoo Lee, 2023年4月14日，软物质。DOI: 10.1039 / D3SM00199G
与李和昂德希尔一起参与研究的还有伦斯勒大学的安juhong Ahn、上海科技大学的Liwen Chen以及布鲁克海文国家实验室的Guillaume Freychet和Mikhail zhenenkov。
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希望本篇文章《挑战传统智慧：新发现改变了我们对晶体的理解》能对你有所帮助！
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