20.10.2021 - University of California - Los Angeles (UCLA)

Un estudio de imágenes en 3D revela cómo se empaquetan los átomos en los materiales amorfos

Una investigación dirigida por la UCLA podría revisar un modelo de 70 años de antigüedad sobre cómo se ensamblan los componentes fundamentales de las sustancias

Muchas de las sustancias que nos rodean, desde la sal de mesa y el azúcar hasta la mayoría de los metales, están dispuestas en cristales. Como sus moléculas están dispuestas en un patrón ordenado y repetitivo, se entiende mucho sobre su estructura.

Sin embargo, un número mucho mayor de sustancias -como el caucho, el vidrio y la mayoría de los líquidos- carecen de ese orden fundamental en su totalidad, lo que dificulta la determinación de su estructura molecular. Hasta la fecha, la comprensión de estas sustancias amorfas se ha basado casi exclusivamente en modelos teóricos y experimentos indirectos.

Un equipo de investigación dirigido por la UCLA está cambiando esta situación. Utilizando un método que han desarrollado para trazar la estructura atómica en tres dimensiones, los científicos han observado directamente cómo se empaquetan los átomos en muestras de materiales amorfos. Los resultados, que se publican hoy en Nature Materials, podrían obligar a reescribir el modelo convencional e informar sobre el diseño de futuros materiales y dispositivos que utilicen estas sustancias.

"Creemos que este estudio va a tener un impacto muy importante en la comprensión futura de los sólidos y líquidos amorfos, que se encuentran entre las sustancias más abundantes de la Tierra", dijo el autor principal del estudio, Jianwei "John" Miao, profesor de física y astronomía de la UCLA y miembro del Instituto de Nanosistemas de California en la UCLA. "La comprensión de las estructuras fundamentales puede conducir a espectaculares avances en la tecnología".

A partir de 1952, con los trabajos del físico británico Frederick Charles Frank, la idea científica predominante ha sido que los átomos y las moléculas de un líquido o un sólido amorfo suelen encajar en grupos de 13. El modelo sostiene que están configurados con un átomo o molécula central rodeado por los otros 12 - dos anillos de cinco alrededor de la partícula central, con otro tapando la parte superior y otro tapando la inferior.

Para modelar cómo los grupos de átomos o moléculas podrían encajar a mayor escala, los científicos conceptualizan este grupo de 13 como una forma 3D tratando cada partícula exterior como una esquina y conectando los puntos, lo que da como resultado un sólido con 20 caras triangulares, llamado icosaedro, una forma familiar para cualquier jugador de Dragones y Mazmorras en forma de dado de 20 caras.

Sin embargo, Miao y sus colegas encontraron algo diferente.

El equipo analizó tres objetos metálicos amorfos mediante tomografía electrónica atómica. Este potente método de obtención de imágenes proyecta electrones sobre una muestra y mide los electrones a su paso, capturando datos varias veces a medida que la muestra gira, de modo que los algoritmos informáticos pueden construir una imagen en 3D.

Los investigadores descubrieron que sólo una fracción muy pequeña de los átomos formaba grupos icosaédricos de 13. En cambio, la disposición más habitual era la de grupos de siete, con cinco en una capa central, uno en la parte superior, otro en la inferior y ningún átomo central, una forma que los investigadores describen como una bipirámide pentagonal, con 10 caras triangulares. También observaron que estas bipirámides pentagonales formaban redes en las que las aristas eran a menudo compartidas.

"Desde el artículo de Frank, la comunidad científica ha creído que el orden icosaédrico es el motivo estructural más importante en los líquidos o los sólidos amorfos", dijo Miao. "Pero hasta ahora, nadie había sido capaz de trazar la posición de todos los átomos y comprobarlo. Hemos descubierto que la bipirámide pentagonal es el motivo más frecuente. La naturaleza parece preferir la combinación en sietes".

El predominio de esa combinación fue consistente en todas las muestras estudiadas por los investigadores, que, para simplificar, seleccionaron materiales que existen como átomos individuales en su escala fundamental. Los materiales examinados fueron una fina película de tántalo, un metal raro utilizado en componentes electrónicos, y dos nanopartículas de paladio, un metal importante para los catalizadores que hacen menos tóxicos los gases de escape de los automóviles.

El equipo también utilizó sus datos experimentales como base para una simulación por ordenador de lo que ocurre cuando el tántalo se funde y luego se enfría rápidamente para que no se formen cristales, lo que da lugar a lo que se llama un vidrio metálico. En la simulación, los átomos de tántalo se empaquetan de forma similar en redes de bipirámides pentagonales con más frecuencia que cualquier otra forma, tanto como líquido como en vidrio.

Estos hallazgos pueden hacer que se reconsideren ciertos aspectos del modelo físico de la ciencia para el mundo que nos rodea. Y como los materiales amorfos están integrados en ciertos semiconductores y en numerosos dispositivos, incluidos los paneles solares, esta investigación podría ser un primer paso para sustituir el ensayo y error por el diseño intencionado cuando se trate de estos materiales.

"Este trabajo, junto con nuestro reciente artículo en Nature sobre materiales no cristalinos, puede ser comparable en influencia a la primera vez que la ciencia reveló la estructura atómica 3D de los cristales de sal hace más de un siglo", dijo Miao.

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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