I fisici risolvono l'enigma del due

26 gennaio 2023

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dell'Università Martin Lutero di Halle-Wittenberg

La struttura bidimensionale dell'ossido di titanio si rompe ad alte temperature quando si aggiunge bario; invece di esagoni regolari, vengono creati anelli di quattro, sette e dieci atomi che si ordinano aperiodicamente.

Un team dell’Università Martin Luther Halle-Wittenberg (MLU) ha fatto questa scoperta in collaborazione con ricercatori del Max Planck Institute (MPI) per la fisica delle microstrutture, dell’Université Grenoble Alpes e del National Institute of Standards and Technology (Gaithersburg, USA). risolvere l'enigma della formazione di quasicristalli bidimensionali da ossidi metallici. I loro risultati sono stati pubblicati su Nature Communications.

Gli esagoni si trovano spesso in natura. L'esempio più noto è il nido d'ape, ma questa struttura forma anche il grafene o vari ossidi metallici, come l'ossido di titanio. "Gli esagoni sono un modello ideale per le disposizioni periodiche", spiega il dottor Stefan Förster, ricercatore nel gruppo di fisica delle superfici e delle interfacce presso l'Istituto di fisica della MLU. "Si incastrano così perfettamente che non ci sono spazi vuoti."

Nel 2013, questo gruppo ha fatto una scoperta sorprendente depositando uno strato ultrasottile contenente ossido di titanio e bario su un substrato di platino e riscaldandolo a circa 1.000 gradi centigradi in un vuoto ultra-alto. Gli atomi si disponevano in triangoli, quadrati e rombi che si raggruppavano in forme simmetriche ancora più grandi con dodici spigoli. È stata creata una struttura con simmetria rotazionale di 12 volte, invece della periodicità prevista di 6 volte.

Secondo Förster, "sono stati creati quasicristalli che hanno una struttura aperiodica. Questa struttura è costituita da ammassi atomici di base altamente ordinati, anche se la sistematica dietro questo ordinamento è difficile da discernere per l'osservatore". I fisici di Halle furono i primi al mondo a dimostrare la formazione di quasicristalli bidimensionali negli ossidi metallici.

I meccanismi alla base della formazione di tali quasicristalli sono rimasti sconcertanti sin dalla loro scoperta. I fisici della MLU hanno ora risolto questo enigma in collaborazione con i ricercatori dell’Istituto Max Planck per la fisica delle microstrutture di Halle, dell’Università di Grenoble Alpes e del National Institute of Standards and Technology (Gaithersburg, USA).

Utilizzando esperimenti elaborati, calcoli energetici e microscopia ad alta risoluzione, hanno dimostrato che le alte temperature e la presenza di bario creano una rete di anelli di titanio e ossigeno rispettivamente con quattro, sette e dieci atomi. "Il bario rompe gli anelli atomici e li stabilizza", spiega Förster, responsabile del progetto comune.

"Un atomo di bario è incorporato in un anello di sette, due in un anello di dieci." Ciò è possibile perché gli atomi di bario interagiscono elettrostaticamente con il supporto di platino, ma non formano un legame chimico con gli atomi di titanio o di ossigeno.

Con la loro ultima scoperta i ricercatori non si sono limitati a chiarire una questione fondamentale della fisica. "Ora che abbiamo una migliore comprensione dei meccanismi di formazione a livello atomico, possiamo provare a fabbricare tali quasicristalli bidimensionali su richiesta in altri materiali rilevanti per l'applicazione come ossidi metallici o grafene", afferma Förster. "Siamo entusiasti di sapere se questo accordo speciale produrrà proprietà completamente nuove e utili."

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