Material sólido único exibe propriedades de líquido, vidro e cristal simultaneamente

Nível de evidência: Observação ou medição

Por que isso importa: A condutividade térmica e as propriedades dos materiais são fortemente influenciadas por fonons, mas a teoria tradicional assume divisões estritas entre cristais periódicos, líquidos desordenados e vidros. Compreender como esses três estados coexistem em um único sólido fornece um novo arcabouço para o controle do transporte anisotrópico de calor.

Como um único sólido abriga três estados da matéria

Pesquisadores do Institute of Metal Research observaram a coexistência de características de fonons semelhantes a líquidos, vidros e cristais dentro do AgCrSe2, que é um sólido cristalino. A teoria padrão dos cristais dita que redes periódicas sustentam quasipartículas de fonons claras devido à ordem de longo alcance consistente, enquanto a aleatoriedade estrutural em líquidos e vidros suprime severamente os modos transversais e amortece os fonons. A condutividade térmica e as propriedades dos materiais são fortemente influenciadas por fonons, que representam movimentos atômicos coletivos.

O AgCrSe2 opera como um condutor superiônico em camadas, apresentando uma arquitetura quase bidimensional e uma transição de fase em torno de 475 K. Uma estrutura estável é estabelecida por octaedros [CrSe6] rígidos que compartilham arestas, enquanto os espaços interlaminares abrigam íons Ag+ em duas posições equivalentes. Os íons de prata se localizam em um único sítio preferencial quando as temperaturas permanecem abaixo do limite de transição.

Ultrapassar o ponto de transição induz o salto aleatório de íons de prata entre dois sítios, gerando uma sub-rede semelhante a um fluido dentro de uma estrutura rígida. As descobertas foram detalhadas em um artigo publicado em 5 de novembro no Journal of the American Chemical Society. As descobertas contestam fronteiras tradicionais que separam fases da matéria no tocante à dinâmica de redes e introduzem caminhos para o gerenciamento do transporte anisotrópico de fonons.

O que o comunicado à imprensa acrescenta ao resumo do estudo

O texto da imprensa descreve os detalhes específicos da estrutura cristalina do AgCrSe2, observando que octaedros [CrSe6] rígidos que compartilham arestas formam uma estrutura periódica estável, enquanto íons Ag+ ocupam sítios interlaminares e saltam aleatoriamente acima de 475 K. Os dados subjacentes do artigo fornecidos consistem em um resumo e não mencionam os detalhes específicos da estrutura de octaedros [CrSe6] ou a temperatura de transição superiônica de 475 K.

Mapeamento do transporte anisotrópico de fonons e estados híbridos

Investigadores mapearam dispersões completas de fonons para monocristais de AgCrSe2 combinando espalhamento inelástico de nêutrons de alta resolução, dinâmica molecular e cálculos de primeiros princípios. A dinâmica dos fonons transversais demonstra forte dependência direcional em todo o material. Fonons transversais propagando-se no plano combinados com o movimento atômico no plano exibem características de aninhamento que amplificam o espalhamento de fonons e induzem comportamento semelhante ao de líquidos.

Fonons transversais propagando-se fora do plano emparelhados com oscilações atômicas no plano encontram espalhamento seletivo por íons de prata desordenados, perdendo gradualmente a identidade de quasipartícula e agindo como vidro. Por outro lado, fonons transversais propagando-se no plano atados a vibrações atômicas fora do plano preservam suas propriedades de quasipartícula, mantendo a dinâmica tradicional semelhante a cristais no estado superiônico. Medições em monocristais demonstram anisotropia acentuada no transporte de calor juntamente com condutividade térmica excepcionalmente baixa.

Questões em aberto no controle do transporte de fonons

Valores numéricos exatos para a condutividade térmica medida estão ausentes dos dados atuais. O cronograma, o custo financeiro e as potenciais aplicações práticas do controle desse transporte anisotrópico de fonons não são discutidos.

O que a transição da sub-rede de prata não significa

• Pode parecer que todo o material de AgCrSe2 derrete em um líquido padrão assim que ultrapassa seu ponto de transição. Na verdade: De fato, apenas a sub-rede de íons de prata torna-se semelhante a um fluido, enquanto a estrutura [CrSe6] ao redor permanece como uma estrutura cristalina rígida e ordenada de longo alcance.

Veredito: Pesquisadores observaram com sucesso a coexistência simultânea de características de fonons semelhantes a líquidos, vidros e cristais dentro de monocristais de AgCrSe2 usando técnicas de espalhamento e simulações. No entanto, valores numéricos exatos para a condutividade térmica e as aplicações práticas ou cronogramas para o gerenciamento desse transporte anisotrópico permanecem desconhecidos.

Com base em reportagem de Chinese Academy of Sciences. Este é um texto explicativo independente, escrito com palavras próprias e auxílio de IA; Chinese Academy of Sciences não o revisou nem o endossou. Leia o original para ver todos os detalhes.

Estudo: doi.org/10.1021/jacs.6c17837