Mechanisms of ordered phase fomration in systems with compeeting interactions.

Project leaders

Joseguillermo Garcialorenzana, Leopoldo Gomez

Agreement

ARGENTINA - CONICET - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas

Call

CNR/CONICET 2013-2014

Department

Materials and Devices

Thematic area

Physical sciences and technologies of matter

Status of the project

New

Research proposal

Una varietà di sistemi fisici mostrano interazioni attrattive su piccola scala, e repulsive a lungo raggio. Questo tipo di interazioni competitive porta alla formazione di fasi con strutture ordinate in una varietà di sistemi, che può variare da materiali soffici come polimeri, copolimeri, colloidi, fino a solidi cristallini, sistemi magnetici, gas di elettroni, cuprati, manganiti e altri [1,2].  Anche se le fasi ordinate e le strutture di equilibrio di questi sistemi sono state studiate [1-5], poco si sa circa i diversi meccanismi fisici che portano alla formazione di tali strutture [2,6-8] . 

In generale, la formazione di una fase ordinata è un fenomeno legato al processo di nucleazione e crescita classico [9].  Nella descrizione classica la nucleazione  sorge a causa della formazione di una struttura piccola della fase ordinata (nucleo) come risultato di fluttuazioni nella fase iniziale. Quando la dimensione del nucleo supera un valore critico, comincia a propagarsi liberamente attraverso il sistema (crescita), e la transizione di fase avviene bruscamente. Sebbene questa descrizione è qualitativamente corretta, una varietà di sistemi hanno dimostrato che questo fenomeno può essere molto più complesso [7-13]. Per esempio, si è trovato che la fase di nucleazione, può non essere quella di  minima energia, ma quella che è più vicina in energia alla fase originale [10]. Si osservano anche precursori amorfi (nuclei senza simmetria globale) vicino alla transizione [8, 11-13]. Questi precursori hanno tipicamente un ordine locale icosaedrico. Ciò indica che tale ordine è favorito nella fase iniziale di cristallizzazione [8,14]. Anche se l'ordine locale icosaedrico è stato postulato come una possibile causa di fasi vetrose su sistemi raffreddati [8,13-14], fino ad oggi non ci sono argomenti per spiegare le cause della loro formazione.
In alcuni casi la frustrazione della nucleazione può portare ad uno stato di non-equilibrio di tipo vetroso [15]. Inoltre, in sistemi complessi come proteine o polimeri è stato osservato che le fluttuazioni possono ridurre sostanzialmente la barriera di energia per la nucleazione [17], per cui il  modello  classico non riesce a descrivere proprietà quali la dimensione media del cristalli. 
La presenza di interazioni a lungo raggio può influenzare notevolmente il processo di nucleazione. In generale, le interazioni di questo tipo tendono ad ostacolare fortemente la nucleazione. Le interazioni elastiche nei solidi possono essere viste come interazioni a lungo raggio tra le fluttuazioni di densità. È stato dimostrato che queste interazioni possono impedire la nucleazione in transizioni con un cambiamento discontinuo di volume [16]. In alcune transizioni solido-solido la frustrazione dovuta alle tensioni elastiche (stress) è tale che il cristallo si frattura o polverizza durante la transizione. Il caso più famoso è quello della cosiddetta “peste dello stagno (Sn)” [18]. Nel caso di liquidi refrigerati è stato proposto che un meccanismo simile può frustrare la nucleazione della fase di equilibrio, e portare alla formazione di fasi vetrose [15]. Mentre questi fenomeni associati alla formazione di fasi ordinate sono stati studiati per anni, non vi è ancora alcuna prova teorica conclusiva per spiegare l'origine di questi processi, e la loro universalità.
Questo progetto si propone di studiare i fenomeni di nucleazione e la formazione di struttura in sistemi con interazioni competitive. Il presente progetto propone una collaborazione tra il gruppo di Polimeri del IFISUR a Bahía Blanca (UNS-CONICET), e il gruppo di Materiali Complessi del Istituto dei Sistemi Complessi-CNR (Università di Roma). Il progetto congiunto sorge naturalmente, dal momento che non solo i gruppi hanno lavorato su argomenti analoghi negli ultimi anni [4-8,15-16], ma si integrano a vicenda. Mentre il gruppo di Roma ha studiato analiticamente le proprietà di fasi ordinate in equilibrio [4-5,15-16], il gruppo a Bahia Blanca si è concentrato sulla proprietà di non-equilibrio, con un approccio numerico / sperimentale [6-8].
Referenze
[1] M. Seul and D. Andelman, Science 267, 476 (1995).
[2] I. W. Hamley, The Physics of Block Copolymers (Oxford Univ. Press, Oxford, 1998).
[3] T.Ohta and K.Kawasaki, Macromolecules 19, 2621 (1986).
[4] C. Ortix, J. Lorenzana, y C. Di Castro, PRL 100, 246402 (2008).
[5] C. Ortix, J. Lorenzana, y C. Di Castro, J. Phys.: Condens. Matter 20, 434229 (2008).
[6] L. Gómez, E. Vallés y D. Vega.  PRL 97, 188302 (2006).
[7] D. A. Vega y L. R. Gómez. PRE 79, 051607 (2009).
[8] L. Gómez y D. Vega.  PRE 83, 021501 (2011).
[9] P. G. Debenedetti, Metastable Liquids (Princeton University Press, Princeton, NJ, 1998).
[10] S. Chung, Y. Kim, J. Kim, y Y. Kim, Nature Phys. 5, 68 (2008).
[11] T. Kawasaki y H. Tanaka, Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 107, 14036 (2010).
[12] G. Tóth, T. Pusztai, G. Tegze, G. Tóth, y L. Gránásy, PRL 107, 175702 (2011).
[13] J. Russo y H. Tanaka, Scientific Reports 2, 505 (2012).
[14] M. Leocmach y H. Tanaka, Nature Comm. 3, 974 (2012). 
[15] A. Cavagna, A. Attanasi, y J. Lorenzana, PRL 95, 115702 (2005).
[16] S. Bustingorry, E. A. Jagla, y J. Lorenzana, Acta Mater. 53, 5183 (2005).
[17] P. R. ten Wolde y D. Frenkel. Science 277, 1975 (1997).
[18] A. D. Styrkas, Inorganic Materials 39, 806 (2003).

Research goals

Questo progetto combinerà calcoli teorici e simulazioni, al fine di comprendere i processi di nucleazione e la formazione di fasi ordinate in sistemi con interazioni competitive. Si studieranno transizioni tipo disordine-ordine  (cristallizzazione), e ordine-ordine (transizione ordinata tra diverse fasi ordinate). Si utilizzeranno espansioni dell'energia libera per capire in quali condizioni è favorito l'ordine icosaedrico in una transizione liquido-solido (cristallizzazione). Si studierà la nucleazione in una transizione solido-solido frustrata dalle forze elastiche. In questi casi si studieranno i meccanismi che possono portare alla frattura del cristallo, e quali sono i parametri rilevanti del problema.

Last update: 10/06/2025