Un team dell’Università del Michigan ha scoperto che un tipo di materia ai confini tra il cristallo e il vetro (cosiddetti quasicristalli) può rappresentare la forma più stabile possibile per alcune combinazioni di atomi.
Potrebbe sembrare un paradosso: da un lato abbiamo i cristalli, esempi di ordine perfetto con atomi disposti in schemi che si ripetono all’infinito. Dall’altro c’è il vetro, dove gli atomi si congelano in un caos ordinato solo a livello locale; i quasicristalli, invece, si collocano in mezzo: hanno una struttura ordinata ma che non si ripete mai.
Un rompicapo per la scienza dei materiali… almeno fino ad ora.
Quasicristalli e un’idea considerata impossibile
Quando il fisico israeliano Daniel Shechtman descrisse i quasicristalli nel 1984, molti colleghi lo derisero. Secondo le regole della cristallografia, una simmetria pentagonale (a cinque lati) non era possibile nei solidi regolari.
Eppure Shechtman aveva scoperto leghe metalliche in cui gli atomi formavano strutture icosaedriche, simili a dadi a 20 facce. Aveva ragione: oggi i quasicristalli sono stati prodotti in laboratorio e persino trovati nei meteoriti.
Il problema della simulazione: non si ripetono!
Per decenni, però, nessuno sapeva spiegare davvero come si formassero. Gli strumenti di calcolo standard, come la density functional theory (DFT), si basano su strutture periodiche: che è esattamente ciò che i quasicristalli non sono.
I ricercatori dell’Università del Michigan hanno aggirato il problema simulando nanoparticelle finite di quasicristallo invece che blocchi infiniti. Calcolando l’energia di queste particelle, hanno scoperto che alcuni quasicristalli sono stabilizzati non dal disordine (come il vetro), ma proprio dall’energia dei legami chimici, come i cristalli veri e propri.
Non solo teoria: algoritmi ottimizzati e GPU
Il calcolo su nanoparticelle richiede una potenza di elaborazione enorme: raddoppiare il numero di atomi moltiplica per 8 il tempo di calcolo. Per risolvere il collo di bottiglia, il team ha sviluppato un algoritmo altamente ottimizzato che sfrutta la comunicazione tra soli processori vicini, oltre all’accelerazione tramite GPU su supercomputer.
Grazie a questa soluzione, i ricercatori ora possono simulare vetri, materiali amorfi, interfacce tra cristalli e difetti utili al calcolo quantistico, aprendo la strada a nuovi materiali per microelettronica, fotonica e persino quantum computing.
Perché è importante?
“Se vogliamo progettare materiali con proprietà specifiche, dobbiamo capire come si stabilizzano gli atomi in certe configurazioni”, spiega Wenhao Sun, autore principale dello studio pubblicato su Nature Physics. “I quasicristalli ci hanno costretti a ripensare tutto.”
Conclusione
Riassumendo:
- I quasicristalli hanno una struttura ordinata ma non ripetitiva.
- Per anni si pensava fossero instabili, come il vetro.
- Ora sappiamo che possono essere stabili come i cristalli, grazie all’energia dei legami chimici.
- Il segreto? Simulare nanoparticelle e usare algoritmi ottimizzati con GPU.
- Lo studio apre la porta a nuovi materiali e forse… a futuri bit quantistici.
