Emergent medium-range order in amorphous silicon

I materiali che mancano di una struttura cristallina rigida e ripetitiva si trovano ovunque, dal vetro nelle nostre finestre ai chip di silicio che alimentano i nostri computer. In questi solidi disordinati, noti come materiali amorfi, gli atomi non si allineano in file ordinate e a lungo raggio come soldati in una parata. Invece, sono raggruppati, eppure non sono del tutto casuali. Gli scienziati sanno da tempo che questi materiali possiedono uno strato nascosto di organizzazione che si colloca tra i vicini immediati di un atomo e la vasta, informe distesa del materiale massivo. Questo strato nascosto, chiamato ordine a medio raggio, è cruciale perché determina il modo in cui il materiale si comporta, come conduce l'elettricità e come risponde alla pressione. Tuttavia, per decenni, la natura esatta di questa organizzazione è stata un mistero. È difficile da vedere perché gli strumenti utilizzati per osservare gli atomi solitamente sfocano l'immagine a queste specifiche distanze, lasciando ai ricercatori una visione nebbiosa di come i pezzi si incastrino nel mezzo.

Un team di ricercatori ha ora dissipato parte di quella nebbia utilizzando un nuovo e potente approccio per studiare il silicio amorfo, un materiale che funge da modello perfetto per comprendere queste reti disordinate. Inve invece di cercare di guardare il materiale con un microscopio, hanno costruito una massiccia replica digitale contenente centomila atomi e hanno osservato come si comportava sotto diverse condizioni. Sono partiti da una versione a bassa densità del materiale, dove gli atomi sono debolmente connessi, e poi l'hanno schiacciata finché non è diventata incredibilmente densa. Tracciando la posizione di ogni singolo atomo in questa gigantesca simulazione, sono stati in grado di mappare l'architettura invisibile del materiale con una precisione che gli esperimenti non possono ancora raggiungere. Ciò che hanno scoperto è un cambiamento sorprendente nel modo in cui gli atomi si organizzano mentre si allontanano da un punto centrale.

A distanze molto brevi, vicino a un atomo centrale, la struttura è rigorosamente governata dalle regole del legame chimico. Nella versione a bassa densità, gli atomi formano una forma compatta a quattro lati nota come tetraedro, che è la disposizione più stabile per il silicio in condizioni normali. Ma man mano che il materiale viene compresso in uno stato di altissima densità, queste forme ordinate si rompono. Gli atomi sono costretti in disposizioni affollate e caotiche con molti più vicini, perdendo la loro ordinata geometria locale. Per molto tempo, gli scienziati hanno assunto che se la struttura locale era così disordinata, anche la struttura più grande sarebbe rimasta ugualmente disordinata. Le nuove simulazioni, tuttavia, rivelano che non è così. Guardando più in là dall'atomo centrale, oltre il vicinato immediato, emerge improvvisamente un tipo completamente diverso di ordine.

Nonostante il caos al livello locale, gli atomi nel materiale ad alta densità iniziano ad organizzarsi in schemi che ricordano gli angoli di un cubo o le facce di un ottaedro. Queste sono forme con una simmetria perfetta, eppure appaiono in un materiale che non possiede affatto una simmetria perfetta. È come se gli atomi, incapaci di trovare un incastro locale perfetto, concordassero collettivamente su un nuovo modo più efficiente di impacchettarsi su una distanza leggermente maggiore. Questa transizione avviene a una distanza specifica dal centro, agendo come un interruttore che sposta il materiale dal fatto di essere governato dai legami chimici locali al fatto di essere governato dalla necessità di riempire lo spazio in modo efficiente. I ricercatori hanno scoperto che questo spostamento avviene a una distanza di circa otto o dieci angstrom nel materiale a bassa densità, ma accade molto prima, a soli tre o cinque angstrom, nel materiale compresso.

Questa scoperta collega diversi enigmi di lunga data nel campo. Una delle caratteristiche più famose dei materiali disordinati è un picco specifico nel modo in cui diffondono i raggi X, noto come primo picco di diffrazione netto. Per anni, gli scienziati hanno dibattuto su quale struttura fisica nel materiale causasse questo picco. Il nuovo studio mostra che questo picco non è un artefatto casuale, ma un'impronta digitale diretta della spaziatura tra gli anelli topologici — cicli chiusi di atomi che formano lo scheletro del materiale. Nel silicio a bassa densità, questi anelli sono spaziati in un modo che crea un ritmo specifico, e questo ritmo è esattamente ciò che produce il picto di diffrazione. Quando il materiale viene schiacciato, gli anelli collassano e si riorganizzano, cambiando la spaziatura e causando lo spostamento o la scomparsa del picco. Ciò dimostra che il pattern di diffrazione visto negli esperimenti è una mappa diretta dell'organizzazione nello spazio reale di questi loop atomici.

I ricercatori hanno anche scoperto che il modo in cui questi anelli sono disposti non è casuale ma segue un modello quasi-periodico, il che significa che si ripetono con una spaziatura regolare che non è un cristallo perfetto, ma è molto più organizzata di un mucchio di biglie casuali. Questa organizzazione è ciò che permette al materiale di mantenere la sua integrità anche quando è così denso che le forme locali sono distorte. Lo studio suggerisce che questo fenomeno non è unico per il silicio, ma è probabilmente una regola fondamentale per molti vetri di rete. L'intuizione chiave è che l'ordine a medio raggio non è solo un residuo della struttura locale; è una proprietà emergente, che sorge quando il materiale cerca di impacchettarsi il più densamente possibile. Gli atomi sacrificano la loro perfezione locale per raggiungere una disposizione globale più efficiente, creando un ordine nascosto che diventa visibile solo quando ci si allontana e si guarda il quadro generale.

Utilizzando queste simulazioni avanzate, il team ha fornito una visione unificata di come sono costruiti i materiali disordinati. Hanno dimostrato che le strane caratteristiche osservate negli esperimenti, come i picchi specifici nei pattern di diffrazione e la spaziatura insolita degli atomi, sono tutte due facce della stessa medaglia. Sono tutte manifestazioni di un materiale che cerca di bilanciare le rigide regole della chimica locale con la pressione di riempire lo spazio in modo efficiente. Questa comprensione sposta il campo oltre l'idea che i materiali amorfi siano semplicemente "liquidi congelati" senza struttura. Invece, sono sistemi complessi con un'architettura sofisticata e multistrato, dove il caos locale lascia il posto a una sorprendente simmetria emergente su una breve distanza. Questa nuova prospettiva potrebbe aiutare gli scienziati a progettare materiali migliori con proprietà su misura, sapendo esattamente come manipolare l'ordine nascosto che giace tra gli atomi.