05.07.2021 - University of Tokyo

¿Quiere nuevos materiales avanzados?

Hay una transición de fase para eso

Aunque parezca mentira, el acero tiene algo en común con los apéndices bacterianos: ambos pueden sufrir un tipo especial de transformación física que sigue siendo desconcertante. Ahora, investigadores de Japón y China han utilizado observaciones microscópicas directas para aclarar cómo se produce esta transformación.

En un estudio publicado recientemente en Nature Communications, investigadores del Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio y del Departamento de Física de la Universidad de Fudan han revelado detalles físicos hasta ahora desconocidos que sustentan las transiciones de fase cristalina de sólido a sólido en los materiales blandos, y posiblemente la forma en que los investigadores pueden aprovechar mejor las propiedades de los materiales avanzados.

Un tipo especial de transición de fase sólido a sólido, conocido como transición martensítica, es una frontera apasionante en medicina, tecnología y otros campos. La transición martensítica es posible gracias a un movimiento coordinado de átomos en un material, que cambia las propiedades del mismo sin modificar su composición química. Tanto las aleaciones metálicas como las proteínas pueden experimentar esta transición. Los investigadores plantean la hipótesis de que, en los materiales blandos fácilmente deformables, la transición puede producirse de forma diferente a la observada en los materiales duros con defectos estables. En la actualidad, esta hipótesis es difícil de comprobar, algo que los investigadores pretendían abordar.

"Tradicionalmente, ha sido un reto observar microscópicamente el proceso dinámico de las transiciones martensíticas en materiales blandos a nivel de una sola partícula", dice el coautor del estudio Hajime Tanaka. "Hay que idear un medio para hacerlo de forma que se inicie rápidamente la transición sin que se produzcan perturbaciones perjudiciales para el sistema".

Para ello, los investigadores utilizaron una técnica suave conocida como intercambio de iones -en principio, el mismo método utilizado para eliminar los iones de calcio y magnesio del agua- para cambiar rápidamente la estructura cristalina de las micropartículas poliméricas. Se puede observar la cinética de las transiciones martensíticas resultantes con un microscopio con resolución de una sola partícula.

"Los resultados de la microscopía fueron inequívocos", explica Peng Tan, coautor del estudio. "Observamos tres mecanismos hasta ahora desconocidos por los que se forman cristales coloidales blandos cúbicos centrados en el cuerpo a partir de los cúbicos centrados en la cara, dependiendo de la condición".

Los investigadores examinaron las características de estas vías -denominadas nucleación en el grano activada térmicamente, nucleación asistida por la fusión de los límites del grano y crecimiento asistido por la pared- centrándose especialmente en cómo se reduce la barrera energética de la transición en cada caso.

"La suavidad de un cristal desempeña un papel fundamental en la nucleación dentro del grano activada térmicamente", explica Tanaka. "En cambio, las otras dos vías pueden darse incluso en materiales duros".

Estos resultados tienen diversas aplicaciones. Por ejemplo, algunos productos farmacéuticos pueden alterar su disponibilidad en el organismo mediante transiciones de fase sólida a sólida; por tanto, entender cómo controlar cuándo y dónde se producen dichas transiciones podría proporcionar un nuevo medio de administración selectiva de fármacos. Una mayor comprensión de los mecanismos físicos de las transformaciones de sólido a sólido favorece el desarrollo de nuevos materiales que puedan adaptarse a las aplicaciones.

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