Riassunto:
Un gruppo di ricerca guidato dall'Università della California, Los Angeles (UCLA) ha recentemente annunciato un nuovo studio sulla formazione dei cristalli. Per la prima volta, gli scienziati hanno utilizzato la tecnologia di imaging atomico tridimensionale per osservare il processo di nucleazione dei cristalli, atomo per atomo, e hanno scoperto che non esiste un confine chiaro tra la struttura ordinata all'interno del cristallo e il materiale disordinato circostante, come descritto dalla teoria classica. La scoperta potrebbe cambiare la comprensione fondamentale di come si formano i cristalli durante le transizioni di fase nella materia.
Per quasi un secolo, gli scienziati si sono affidati alla teoria classica della nucleazione per spiegare i processi di cambiamento di fase come il congelamento dei liquidi e la condensazione dei gas. Questa teoria sostiene che alcune minuscole regioni ordinate, note come nuclei cristallini, si formeranno prima all'interno della sostanza, e poi questi nuclei cristallini continueranno a crescere, formando infine cristalli completi. Le equazioni fondamentali su cui si fonda questa teoria sono state supportate da migliaia di esperimenti.
Tuttavia, quando i ricercatori hanno osservato la formazione dei cristalli nello spazio tridimensionale atomo per atomo, la struttura effettiva del nucleo cristallino era diversa da quella prevista dal modello classico. Il gruppo di ricerca ha utilizzato nanoparticelle di leghe complesse composte da più elementi metallici e ha sviluppato un metodo per congelare i nuclei dei cristalli in diversi stadi di formazione, consentendo loro di osservare questo processo, che di solito avviene in modo estremamente rapido.
I ricercatori hanno scoperto che la transizione dai cristalli ordinati al materiale disordinato circostante avviene gradualmente, anziché all'improvviso con una chiara linea di demarcazione. Jianwei "John" Miao, professore di fisica e astronomia all'UCLA, membro del California Nanosystems Institute e corrispondente autore dell'articolo, ha affermato che il nucleo del cristallo non ha una struttura interna uniforme e confini chiari come descritto dalla teoria classica della nucleazione. Al contrario, la regione centrale di ciascun nucleo cristallino ha la cristallinità più elevata. Quanto più ci si avvicina al confine, tanto più disordinata diventa la disposizione atomica, formando un gradiente continuo.
Per spiegare questo fenomeno, il gruppo di ricerca ha proposto un "modello del percorso di nucleazione del gradiente" più complesso. Questo nuovo modello non ribalta la teoria classica della nucleazione, ma anzi la estende. Miao ha detto che la teoria classica può in realtà essere considerata come un caso speciale del nuovo modello: se questo caso speciale viene inserito nelle nuove equazioni, si possono ottenere esattamente gli stessi risultati della teoria classica della nucleazione. Ma negli esperimenti reali, i ricercatori non hanno mai osservato chiari confini su scala atomica, ma hanno osservato ripetutamente questa struttura gradiente.
Il processo di nucleazione è ampiamente presente nei sistemi naturali e ingegneristici come la formazione di goccioline di nubi e la produzione industriale. Pertanto, la ricomprensione di questo processo può interessare molteplici ambiti di ricerca e fornire riferimenti per lo sviluppo di nuove tecnologie.
Per catturare le diverse fasi della formazione dei cristalli, i ricercatori hanno prima riscaldato le nanoparticelle a più di 3.000 gradi Fahrenheit (circa 1.649 gradi Celsius) e poi le hanno raffreddate rapidamente a temperatura ambiente in pochi centesimi di secondo. Il raffreddamento rapido avvia il processo di formazione dei cristalli, facendo sì che i nuclei dei cristalli in diverse nanoparticelle rimangano nei loro diversi stadi di sviluppo.
Miao ha spiegato che il tempo richiesto per la raccolta dei dati è molto più lungo del processo di nucleazione stesso, quindi i ricercatori devono prima "congelare" il processo di formazione dei cristalli prima di poter studiare il fenomeno della nucleazione nelle diverse fasi.
Il team di ricerca ha quindi utilizzato la tomografia elettronica atomica per eseguire una ricostruzione tridimensionale atomo per atomo di ciascuna nanoparticella e ha utilizzato un'analisi statistica avanzata per quantificare il grado di ordine nelle diverse regioni. L'intero set di dati contiene più di 8.000 nuclei, di dimensioni variabili da meno di 10 atomi a più di 1.000 atomi.
I ricercatori hanno osservato ripetutamente lo stesso schema in questi nuclei: il grado di ordine atomico era più alto nella regione centrale e diminuiva gradualmente verso la superficie. Man mano che il nucleo cristallino continua a crescere, il grado di ordine nella sua regione centrale aumenterà ulteriormente.
Queste strutture gradienti cambiano anche la comprensione da parte dei ricercatori dell'energia necessaria per formare i nuclei cristallini. La teoria classica della nucleazione sostiene che i nuclei cristallini devono superare un chiaro requisito energetico minimo, la cosiddetta barriera energetica. Solo pochi nuclei cristallini con sufficiente energia possono attraversare questo "muro".
Tuttavia, i risultati sperimentali mostrano che il processo di nucleazione potrebbe non attraversare la barriera energetica in una sola volta, ma viene gradualmente completato attraverso più fasi intermedie. Miao lo ha paragonato all'arrampicata su un muro: la teoria classica sostiene che il nucleo del cristallo deve arrampicarsi direttamente su un muro, ma i risultati della ricerca mostrano che la natura potrebbe aver adottato un modo più efficiente, salendo passo dopo passo attraverso una scala e utilizzando più stati intermedi per superare le barriere energetiche. Il gruppo di ricerca ritiene che il nuovo modello del percorso di nucleazione del gradiente possa descrivere questo processo e spiegare perché i nuclei cristallini possono formarsi in modo più efficiente.
Il processo completo di cambiamento di fase richiede inoltre che diversi nuclei cristallini si combinino tra loro. In questo processo il gruppo di ricerca ha scoperto anche un fenomeno inaspettato: molti nuclei cristallini vicini tra loro hanno già quasi lo stesso orientamento prima di fondersi, il che rende più facile la loro combinazione finale.
Miao ha affermato che è sorprendente che molti nuclei fossero già quasi allineati prima della fusione. Potrebbe riflettere un percorso di formazione di energia inferiore, ma mostra anche che c’è ancora molto da esplorare sul modo in cui la natura organizza la materia.
Le leghe ad alta entropia e le leghe a media entropia utilizzate in questo esperimento hanno cominciato ad apparire solo circa 20 anni fa. Tali materiali sono costituiti da più elementi metallici mescolati in proporzioni più o meno uguali, a differenza delle leghe tradizionali come l’acciaio dove domina un singolo elemento primario. La loro struttura atomica altamente mista può produrre combinazioni insolite di proprietà come resistenza e flessibilità e può anche essere utilizzata per creare catalizzatori di reazioni chimiche più efficienti e durevoli.
Comprendere il processo di nucleazione di questi materiali può aiutare i ricercatori a progettarli e svilupparli meglio, ha affermato Miao. Allo stesso tempo, il gruppo di ricerca ritiene che questo modello possa essere ampiamente applicato anche ad altri sistemi di nucleazione.
Poiché la nucleazione è un fenomeno onnipresente in natura e nei sistemi ingegnerizzati, questa ricerca potrebbe avere un impatto su campi diversi come le scienze fisiche, la modellazione climatica, l'alimentazione, i prodotti farmaceutici, i semiconduttori e l'elettronica. Il metodo di imaging atomico utilizzato questa volta potrebbe anche fornire ai ricercatori un nuovo strumento per esplorare come si svolge il processo di nucleazione.
Per Miao, il significato più importante di questa ricerca è che potrebbe spingere la comunità scientifica a ripensare il modo in cui la materia si organizza durante i cambiamenti di fase. Ha detto che il gruppo di ricerca ritiene che questo lavoro cambierà la comprensione dei ricercatori sui fenomeni di nucleazione e spera che i futuri libri di testo alla fine riflettano questa nuova comprensione.
Questa ricerca, intitolata "Crystal Nucleation and Growth in High-Entropy Alloys Revealed by Atomic Electron Tomography", è stata pubblicata sulla rivista Nature Materials il 25 agosto 2026. La ricerca è stata supportata principalmente dalla Divisione di scienza e ingegneria dei materiali del Basic Energy Science Program dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
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