Ordine cristallino e amorfo dipendenti dall’orientazione in un solido a fase singola

Quando ordine e disordine convivono fianco a fianco

La maggior parte dei materiali che ci circondano rientra in due categorie ben definite: i cristalli, in cui gli atomi si dispongono in schemi ripetuti come piastrelle su un pavimento, e i vetri, in cui gli atomi sono mescolati come un liquido congelato. Questo studio rivela qualcosa di sorprendente nel mezzo: un solido che è simile a un vetro in due direzioni ma cristallino nella terza. Questa insolita combinazione di ordine e disordine potrebbe cambiare il nostro modo di pensare ai materiali di uso quotidiano, dalle batterie ai chip dei computer, e il modo in cui li progettiamo a livello atomico.

Un nuovo tipo di puzzle atomico

I cristalli si definiscono per il loro ordine a lungo raggio: se conosci la posizione di alcuni atomi, puoi prevedere dove saranno molti altri. I materiali amorfi, come il vetro delle finestre, mancano di questo ordine ripetuto, anche se gli atomi mantengono ancora una certa regolarità con i vicini più prossimi. Per decenni gli scienziati hanno dibattuto come descrivere la zona “intermedia” dell’ordine a medio raggio, dove il motivo si estende per alcuni atomi ma non all’infinito. Gli autori di questo articolo adottano un angolo diverso: invece di chiedersi se un intero materiale sia ordinato o disordinato, si domandano se diverse direzioni all’interno dello stesso solido possano comportarsi in modo diverso.

Barre stratificate con un motivo nascosto

Il gruppo ha creato film sottili composti da piccole barre contenenti niobio, tungsteno e ossigeno (Nb–W–O) usando la deposizione laser a impulsi, una tecnica che sparsa brevi colpi di energia su un bersaglio ceramico per far crescere materiale su una superficie cristallina. Scegliendo un materiale di base cristallino ben noto, il titanate di stronzio, tagliato lungo facce diverse, hanno potuto controllare come crescevano le barre di Nb–W–O. Le immagini al microscopio elettronico hanno mostrato che all’interno di ciascuna barra gli atomi in un singolo strato si dispongono in un arrangiamento disordinato, simile a un vetro, nel piano. Tuttavia, osservando nella direzione perpendicolare, i ricercatori hanno visto che questi strati disordinati sono impilati a spaziature quasi perfette e regolari per centinaia di strati atomici: un cristallo costruito da fogli vetrosi.

Vedere il caso da vicino

Per valutare quanto fossero davvero casuali gli strati, i ricercatori hanno combinato diverse sonde potenti. Immagini ad alta risoluzione al microscopio elettronico, insieme alle loro trasformate di Fourier, non mostravano alcun motivo ripetuto nel piano di ciascuno strato, confermando l’assenza di ordine a lungo raggio. Misure della funzione di distribuzione delle coppie, che tracciano le distanze tipiche tra atomi, hanno rivelato picchi netti solo a distanze molto brevi, indicando che gli atomi formano ancora blocchi fondamentali—unità ottaedriche in cui un atomo metallico è circondato da atomi di ossigeno—ma che qualsiasi schema ripetuto più esteso svanisce rapidamente. Tecniche avanzate di assorbimento ai raggi X hanno confermato che niobio e tungsteno occupano questi ottaedri deformati, mentre mappe chimiche hanno mostrato che gli atomi di niobio e tungsteno sono mescolati senza uno schema regolare nel piano dello strato.

Fogli vetrosi impilati che si comportano come un cristallo

Pur essendo ciascuno strato strutturalmente disordinato nel proprio piano, il loro impilamento verticale non è affatto casuale. La mappatura dello spazio reciproco tridimensionale con raggi X di sincrotrone, un metodo che trasforma i pattern di scattering in una specie di impronta dell’ordine atomico, ha rivelato caratteristiche a forma di foglio che corrispondono alle simulazioni di strati amorfi impilati periodicamente. A seconda di come il titanate di stronzio sottostante è orientato, le barre crescono in una, due o tre direzioni preferenziali, ma in tutti i casi la spaziatura tra gli strati è quasi la stessa ed è fortemente legata alla spaziatura del cristallo di substrato. In altre parole, il cristallo di base agisce come un righello rigido, costringendo gli strati di tipo vetroso ad accumularsi con regolarità cristallina lungo un asse principale, anche se rimangono disordinati lateralmente.

Perché questo confine è importante

Questo materiale insolito mostra che la linea di demarcazione tra cristallo e vetro non riguarda solo quanto si estende l’ordine, ma anche in quali direzioni la si osserva. All’interno di un unico solido, gli atomi possono formare una rete casuale continua in due dimensioni pur disponendosi in un ritmo perfetto nella terza. Questa intuizione offre agli scienziati un nuovo campo di gioco per sintonizzare le proprietà: si possono immaginare materiali in cui la conduzione elettrica, il movimento degli ioni o la resistenza meccanica sono altamente direzionali perché ordine e disordine coesistono in modo controllato. Oltre a questo particolare ossido di niobio–tungsteno, il lavoro propone una piattaforma per esplorare e modellare pile di materia amorfa bidimensionale, aiutando a perfezionare il modo in cui descriviamo, misuriamo e, in ultima analisi, progettiamo solidi che stanno tra i mondi familiari dei cristalli e dei vetri.

Citazione: Xia, R., Li, J., Birkhölzer, Y.A. et al. Orientation-dependent mutual crystalline and amorphous order in a single phase solid. Nat Commun 17, 2646 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69359-3

Parole chiave: materiali amorfi, ordine cristallino, ossido di niobio e tungsteno, nanobarre sottili, struttura atomica