Los investigadores transforman nuestra comprensión de los cristales

18 de mayo de 2023

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por Katie Malatino, Instituto Politécnico Rensselaer

Cuando la mayoría de la gente piensa en cristales, se imaginan captadores de sol que actúan como prismas de arcoíris o las piedras semitransparentes que algunos creen que tienen poderes curativos. Sin embargo, para los científicos e ingenieros, los cristales son una forma de materiales en los que sus constituyentes (átomos, moléculas o nanopartículas) están dispuestos regularmente en el espacio. En otras palabras, los cristales se definen por la disposición regular de sus constituyentes. Los ejemplos comunes son los diamantes, la sal de mesa o los terrones de azúcar.

Sin embargo, en una investigación recién publicada en Soft Matter, un equipo dirigido por Sangwoo Lee del Instituto Politécnico Rensselaer, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Química y Biológica, descubrió que las estructuras cristalinas no siempre están dispuestas necesariamente de manera regular. El descubrimiento avanza en el campo de la ciencia de los materiales y tiene implicaciones no realizadas para los materiales utilizados para semiconductores, paneles solares y tecnologías de vehículos eléctricos.

Una de las clases más comunes e importantes de estructuras cristalinas son las estructuras compactas de esferas regulares construidas apilando capas de esferas en un arreglo de panal. Hay muchas formas de apilar las capas para construir estructuras compactas, y cómo la naturaleza selecciona un apilamiento específico es una pregunta importante en la investigación de materiales y física. En la construcción de empaquetamiento compacto, existe una estructura muy inusual con componentes espaciados irregularmente conocida como apilamiento aleatorio de capas hexagonales bidimensionales (RHCP). Esta estructura se observó por primera vez en el metal cobalto en 1942, pero se ha considerado como un estado transitorio y energéticamente no preferido.

El grupo de investigación de Lee recopiló datos de dispersión de rayos X de nanopartículas modelo blandas hechas de polímeros y se dio cuenta de que los datos de dispersión contienen resultados importantes sobre RHCP pero son muy complicados. Luego, Patrick Underhill, profesor en el Departamento de Ingeniería Química y Biológica de Rensselaer, permitió el análisis de los datos de dispersión utilizando el sistema de supercomputadora, Sistema Optimizado de Multiprocesamiento de Inteligencia Artificial (AiMOS), en el Centro de Innovaciones Computacionales.

"Lo que encontramos es que la estructura RHCP es, muy probablemente, una estructura estable, y esta es la razón por la que RHCP se ha observado ampliamente en muchos materiales y sistemas cristalinos naturales", dijo Lee. "Este hallazgo desafía la definición clásica de cristales".

El estudio proporciona información sobre el fenómeno conocido como politipismo, que permite la formación de RHCP y otras estructuras compactas. Un material representativo con politipismo es el carburo de silicio, ampliamente utilizado para la electrónica de alto voltaje en vehículos eléctricos y como material duro para chalecos antibalas. Los hallazgos del equipo de Lee indican que esos materiales politípicos pueden tener transiciones estructurales continuas, incluidos los arreglos aleatorios no clásicos con nuevas propiedades útiles.

"El problema de cómo se empaquetan las partículas blandas parece sencillo, pero incluso las preguntas más básicas son difíciles de responder", dijo Kevin Dorfman de la Universidad de Minnesota-Twin Cities, que no está afiliado a esta investigación. "Este artículo proporciona pruebas convincentes de una transición continua entre las redes cúbicas centradas en las caras (FCC) y hexagonales compactas (HCP), lo que implica una fase compacta hexagonal aleatoria estable entre ellas y, por lo tanto, supone un avance importante en la ciencia de los materiales. ."

"Estoy particularmente complacido con este descubrimiento, que muestra el poder de la computación avanzada para lograr un avance importante en la ciencia de los materiales al decodificar las estructuras de nivel molecular en materiales blandos", dijo Shekhar Garde, decano de la Escuela de Ingeniería de Rensselaer. "El trabajo de Lee y Underhill en Rensselaer también promete abrir oportunidades para muchas aplicaciones tecnológicas para estos nuevos materiales".

Lee y Underhill se unieron en la investigación a Juhong Ahn de Rensselaer, Liwen Chen de la Universidad de Shanghai para la Ciencia y la Tecnología, y Guillaume Freychet y Mikhail Zhernenkov del Laboratorio Nacional de Brookhaven.

Más información: Juhong Ahn et al, Transición continua de cristales coloidales a través de órdenes aleatorios estables, Materia blanda (2023). DOI: 10.1039/D3SM00199G

Información del diario:materia blanda

Proporcionado por el Instituto Politécnico Rensselaer