28.05.2021 - Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt)

Megacristales brillantes que se construyen solos

Los nuevos megacristales presentan propiedades únicas, como la superfluorescencia, y podrían dar paso a una nueva era en la ciencia de los materiales

Un equipo internacional dirigido por investigadores del Empa y de la ETH de Zúrich está jugando con bloques de construcción a nanoescala diseñados para ser hasta 100 veces más grandes que los átomos y los iones. Y aunque estos nano "ladrillos de Lego" interactúan entre sí con fuerzas muy diferentes y mucho más débiles que las que mantienen unidos a los átomos e iones, forman cristales por sí mismos, cuyas estructuras se asemejan a las de los minerales naturales. Estos nuevos megacristales o superredes que aparecen en la portada del último número de "Nature" presentan propiedades únicas, como la superfluorescencia, y podrían dar paso a una nueva era en la ciencia de los materiales.

Para apreciar realmente lo que ha conseguido un equipo de investigadores dirigido por Maksym Kovalenko y Maryna Bodnarchuk, lo mejor es empezar con algo mundano: los cristales de sal de mesa (también conocida como sal gema) resultan familiares a cualquiera que haya tenido que aderezar alguna vez un almuerzo excesivamente soso. El cloruro de sodio -NaCl en términos químicos- es el nombre de la útil sustancia química; consiste en iones de sodio con carga positiva (Na+) e iones de cloruro con carga negativa (Cl-). Puedes imaginarte los iones como cuentas que se atraen fuertemente formando cristales densamente empaquetados y rígidos como los que podemos ver en un salero.

Muchos minerales naturales están formados por iones - iones metálicos positivos e iones negativos, que se organizan en diferentes estructuras cristalinas dependiendo de sus tamaños relativos. Además, hay estructuras como el diamante y el silicio: Estos cristales están formados por un solo tipo de átomos -el carbono en el caso del diamante-, pero, al igual que los minerales, los átomos se mantienen unidos por fuertes fuerzas de enlace.

Nuevos bloques de construcción para un nuevo tipo de materia

¿Qué pasaría si se pudieran eliminar todas estas fuertes fuerzas de unión entre los átomos? En el reino de los átomos, con toda la mecánica cuántica en juego, esto no daría lugar a una molécula o a una materia en estado sólido, al menos en condiciones ambientales. "Pero la química moderna puede producir bloques de construcción alternativos que pueden tener interacciones muy diferentes a las de los átomos", dice Maksym Kovalenko, investigador de Empa y profesor de química en la ETH de Zúrich. "Pueden ser tan duros como las bolas de billar, en el sentido de que sólo se perciben cuando chocan. O pueden ser más blandas en la superficie, como las pelotas de tenis. Además, pueden construirse con muchas formas diferentes: no sólo esferas, sino también cubos u otros poliedros, o entidades más anisotrópicas."

Estos bloques de construcción están formados por cientos o miles de átomos y se conocen como nanocristales inorgánicos. El equipo de químicos de Kovalenko en Empa y ETH es capaz de sintetizarlos en grandes cantidades con un alto grado de uniformidad. Kovalenko y Bodnarchuk, así como algunos de sus colegas de todo el mundo, llevan unos 20 años trabajando con este tipo de bloques de construcción. Los científicos los llaman "materiales Lego" porque forman redes densas y ordenadas de largo alcance conocidas como superredes.

Hace tiempo que se especula con que la mezcla de diferentes tipos de nanocristales permitiría la ingeniería de estructuras supramoleculares completamente nuevas. Las propiedades electrónicas, ópticas o magnéticas de estos conjuntos multicomponentes serían una mezcla de las propiedades de los componentes individuales. En los primeros años, los trabajos se centraron en la mezcla de esferas de diferentes tamaños, lo que dio lugar a docenas de superredes con estructuras de empaquetamiento que imitan las estructuras cristalinas comunes, como la sal de mesa, aunque con celdas de cristal entre diez y cien veces más grandes.

Con su último artículo en "Nature", el equipo dirigido por Kovalenko y Bodnarchuk ha conseguido ampliar mucho más sus conocimientos: Se propusieron estudiar una mezcla de formas diferentes: esferas y cubos para empezar. Esta aparentemente simple desviación de la corriente principal condujo inmediatamente a observaciones muy diferentes. Además, los cubos elegidos, a saber, los nanocristales coloidales de haluro de plomo y cesio, son conocidos como unos de los emisores de luz más brillantes desarrollados hasta la fecha, desde su invención por el mismo equipo hace seis años. Las superredes obtenidas por los investigadores no sólo son peculiares en cuanto a su estructura, sino también en cuanto a algunas de sus propiedades. En concreto, presentan superfluorescencia, es decir, la luz se irradia de forma colectiva y mucho más rápido de lo que pueden conseguir los mismos nanocristales en su estado convencional, embebidos en un líquido o en un polvo.

¿La entropía como fuerza ordenadora?

Al mezclar esferas y cubos, ocurren cosas maravillosas: Los nanocristales se organizan para formar estructuras conocidas del mundo de los minerales, como las perovskitas o la sal de roca. Todas estas estructuras, sin embargo, son 100 veces más grandes que sus homólogas en los cristales convencionales. Es más: Nunca antes se había observado una estructura similar a la de la perovskita en el ensamblaje de estos nanocristales que no interactúan.

Especialmente curioso: estas estructuras altamente ordenadas se crean únicamente por la fuerza de la entropía, es decir, el perpetuo esfuerzo de la naturaleza por provocar el máximo desorden. Qué broma perfecta de la naturaleza! Este paradójico ensamblaje se produce porque, durante la formación de los cristales, las partículas tienden a utilizar el espacio que las rodea de la manera más eficiente para maximizar su libertad de movimiento durante las últimas etapas de la evaporación del disolvente, es decir, antes de que se "congelen" en sus eventuales posiciones de la red cristalina. En este sentido, la forma de los nanocristales individuales desempeña un papel crucial: los cubos de perovskita blanda permiten un empaquetamiento mucho más denso que el que se consigue en las mezclas totalmente esféricas. Así, la fuerza de la entropía hace que los nanocristales se dispongan siempre en el empaquetamiento más denso posible, siempre que estén diseñados de forma que no se atraigan o repelan por otros medios, como la electrostática.

El amanecer de una nueva ciencia

"Hemos visto que podemos fabricar nuevas estructuras con gran fiabilidad", afirma Maksym Kovalenko. "Y esto plantea ahora muchas más preguntas; aún estamos en los comienzos: ¿Qué propiedades físicas presentan estas superredes débilmente enlazadas y cuál es la relación estructura-propiedad? ¿Pueden utilizarse para determinadas aplicaciones técnicas, por ejemplo, en la computación óptica cuántica o en la obtención de imágenes cuánticas? ¿Según qué leyes matemáticas se forman? ¿Son realmente estables desde el punto de vista termodinámico o sólo están atrapados cinéticamente?". Kovalenko busca ahora teóricos que puedan predecir lo que aún puede ocurrir.

"Acabaremos descubriendo clases de cristales completamente nuevas", especula, "para las que no existen modelos naturales. Entonces habrá que medirlos, clasificarlos y describirlos". Tras haber escrito el primer capítulo del libro de texto de una nueva clase de química, Kovalenko está más que dispuesto a aportar su parte para que eso ocurra lo más rápido posible. "Ahora estamos experimentando con nanocristalitos en forma de disco y de cilindro. Y estamos muy ilusionados por ver las nuevas estructuras que permiten", sonríe.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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