Los supercristales magnéticos súper fuertes pueden ensamblarse por sí mismos
Verner Håkonsen trabaja con cubos tan pequeños que casi 5.000 millones de ellos podrían caber en una cabeza de alfiler. Cocina los cubos en el NanoLab de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU), en un frasco de vidrio de aspecto extraño con tres cuellos en la parte superior, utilizando una mezcla de productos químicos y jabón especial.
Donde lo viejo se encuentra con lo nuevo: Verner Håkonsen está trabajando con nanotecnología de vanguardia mientras estudia los supercristales autoensamblables. Pero está siendo ayudado en su investigación por las antiguas bobinas magnéticas de cobre del Departamento de Física de NTNU. Su estructura permite a Håkonsen crear un campo magnético alrededor de sus nanocubos, que se encuentran dentro de las bobinas en un crisol. El campo magnético induce a los cubos a auto-ensamblarse en distintos patrones.
Nancy Bazilchuk/NTNU
Y cuando expone estos cubos invisibles a un campo magnético, realizan una hazaña mágica: se ensamblan en la forma que él quiera.
"Es como construir una casa, pero no es necesario construirla", dice. La fuerza magnética, junto con otras fuerzas, hace que "la casa se construya por sí misma: todos los bloques de construcción se ensamblan perfectamente en las condiciones adecuadas".
Aunque los investigadores han sido capaces de hacer que las nanopartículas se ensamblen de diferentes maneras, Håkonsen y sus colegas son los primeros en demostrar lo importante que puede ser el magnetismo con respecto a las propiedades mecánicas de ciertas estructuras de nanopartículas.
Los investigadores llamaron a sus diminutas creaciones de nanocubos superestructuras o supercristales porque los nanocubos están organizados en un patrón ordenado, una especie de átomos en un cristal. "Los supercristales son particularmente interesantes porque muestran propiedades mejoradas en comparación con una sola nanopartícula o con un material a granel", dijo Håkonsen.
El gran hallazgo es que cuando los cubos magnéticos se autoensamblan en un supercristal -- en formas como líneas o varillas o hélices, por ejemplo -- la energía cohesiva entre las partículas en el supercristal puede aumentar hasta en un 45 por ciento debido a las interacciones magnéticas entre los cubos.
"Eso significa que la energía que mantiene todo junto aumenta hasta un 45 por ciento", dijo.
La fuerza de los supercristales en combinación con sus propiedades magnéticas mejoradas será clave para el desarrollo de futuros usos, que podrían abarcar desde aplicaciones para la industria del automóvil hasta la tecnología de la información. La investigación de Håkonsen acaba de ser publicada en la revista Advanced Functional Materials.
Cuando las cosas se ponen pequeñas, la física se pone rara
Un principio central de la investigación de nanopartículas es que cuanto más pequeñas son las partículas, más extraño es su comportamiento. Esto se debe a que a medida que el tamaño se reduce, la superficie de la partícula representa un porcentaje mucho mayor del volumen total de la estructura que en las partículas que no son de tamaño nanométrico.
"Como resultado, cuanto más pequeñas son las nanopartículas, más inestables pueden ser", dijo Håkonsen. Esto es lo que se conoce como el "efecto tamaño" en nanociencia, y es uno de los aspectos fundamentales de la nanotecnología a medida que las cosas se vuelven más pequeñas que 100 nm.
"Incluso se pueden tener partículas que se desplazan espontáneamente entre diferentes estructuras cristalinas, debido a su pequeño tamaño", explicó. "Las partículas se funden parcialmente."
El efecto tamaño también afecta a otras propiedades de las nanopartículas pequeñas, como las propiedades magnéticas, donde el campo magnético de la partícula puede empezar a saltar por sí mismo en diferentes direcciones.
El tamaño sigue siendo importante
En otras palabras, aunque el magnetismo podría fortalecer las nanoestructuras auto-ensambladas de los investigadores, el efecto del tamaño todavía jugó un papel importante. Cuando los supercristales eran súper pequeños, las estructuras eran más débiles que sus contrapartes más grandes.
"Lo que eso significa es que se tiene un efecto de tamaño cuando se trata de la estabilidad mecánica también en supercristales - un "efecto de supertamaño" - pero también sugiere que hay efectos de tamaño para otras propiedades supercristalinas", dijo Håkonsen. "Lo que también es notable es que este efecto de gran tamaño va más allá de la nanoescala, y sube hacia la microescala."
Sin embargo, en lugar de plantear un problema, en este caso, saber que el efecto del tamaño afectará a los supercristales podría permitir a los investigadores controlar -o afinar- cómo se comportan las estructuras a través de una variedad de factores diferentes.
"Esto podría abrir un nuevo campo, una sintonización controlada por tamaño", dijo Håkonsen. "Podría ser posible controlar las características de los supercristales, no sólo por la forma y el tamaño de las partículas, sino por la forma y el tamaño del supercristal y el número de partículas en él."
Cubos de magnetita
La investigación de Håkonsen en el NTNU Nanomechanical Lab se basa en nanocubos que él mismo fabrica a partir de magnetita, por lo que se ensamblan solos en respuesta a un campo magnético.
Esencialmente, fabrica una molécula que luego calienta en un solvente que contiene una sustancia similar al jabón llamada surfactante. El surfactante evita que los nanocubos crezcan demasiado y también puede controlar la forma de la nanopartícula. De esta manera, Håkonsen y su equipo pueden hacer cubos y esferas, entre otras formas.
Los colaboradores de Håkonsen provienen de diversas disciplinas, incluyendo físicos, científicos mecánicos y de materiales y expertos en computación, y provienen de la Universidad de Sydney y de la UCLM (Universidad de Castilla-La Mancha) además de la NTNU. Los investigadores eligieron usar cubos para su estudio porque ha habido menos investigación sobre los cubos que sobre las esferas, y los cubos son también los más propensos a proporcionar la estructura más fuerte, dijo.
"Esta es una investigación fundamental. Nuestra motivación ha sido investigar cómo el magnetismo afecta las propiedades mecánicas de los supercristales", dijo. "Es importante porque tenemos todas estas aplicaciones potenciales, pero para realizarlas, también necesitamos supercristales mecánicamente estables."
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