13.12.2021 - Universität Wien

Nuevo estado de la materia: Cristalino y fluido al mismo tiempo

Partículas con estructura en forma de pompa

Las predicciones de los investigadores de que ciertas partículas de materia con una densidad suficientemente alta formarían un nuevo estado -cristalino y fluido al mismo tiempo- se han podido confirmar en el laboratorio.

Hace más de 20 años, los investigadores predijeron que, con una densidad suficientemente alta, ciertas partículas de materia formarían un nuevo estado de la materia que presenta las propiedades de los sólidos cristalinos y de los líquidos fluidos. Científicos del Forschungszentrum Jülich, la Universidad de Siegen y la Universidad de Viena han logrado crear este estado en un laboratorio. Su concepto experimental abre la posibilidad de un mayor desarrollo y podría allanar el camino para nuevos descubrimientos en el mundo de los estados complejos de la materia.

Gracias a sus esfuerzos de investigación, el equipo ha podido desmentir finalmente una suposición intuitiva según la cual, para que dos partículas de materia se fusionen y formen unidades mayores (es decir, agregados o cúmulos), deben atraerse entre sí. Ya a principios de siglo, un equipo de físicos especializados en materia blanda, dirigido por Christos Likos, de la Universidad de Viena, predijo, basándose en consideraciones teóricas, que esto no tenía por qué ser así. Sugirieron que las partículas puramente repulsivas también podrían formar cúmulos, siempre que se superpongan totalmente y que su repulsión cumpla ciertos criterios matemáticos.

Desde entonces, otros trabajos teóricos y computacionales han demostrado que, si se comprimen bajo una presión externa, estos cúmulos desarrollan un orden cristalino de forma similar a materiales convencionales como el cobre y el aluminio. En pocas palabras, un orden cristalino significa una estructura de red periódica en la que todas las partículas tienen posiciones fijas. Sin embargo, a diferencia de los metales, las partículas que forman los cristales en racimo son muy móviles y saltan continuamente de un sitio de la red a otro. Esto confiere a estos sólidos propiedades similares a las de los líquidos. Cada partícula se encontrará en algún momento en cada sitio de la red.

Partículas con estructura de pompa

Resultó difícil producir partículas que tuvieran las características necesarias para la detección de cristales en racimo. Sin embargo, Emmanuel Stiakakis, del Forschungszentrum Jülich, y sus colegas han conseguido ahora este objetivo en estrecha colaboración con teóricos de Viena y químicos de polímeros de Siegen. Los investigadores lograron producir partículas híbridas con una estructura similar a la de un pompón. El núcleo de estas partículas está formado por polímeros orgánicos a los que se adhieren moléculas de ADN que sobresalen en todas las direcciones como los hilos de un pompón. Esta estructura permite que las moléculas se introduzcan unas dentro de otras y se compriman lo suficiente. Al mismo tiempo, la combinación de una repulsión electrostática de los componentes del ADN cargados de forma natural y una débil interacción de los polímeros en el centro de las construcciones garantiza la interacción global necesaria.

"El ADN es especialmente adecuado para nuestros propósitos, ya que puede ensamblarse con relativa facilidad en la forma y el tamaño deseados gracias al mecanismo de emparejamiento de bases Watson-Crick. En combinación con núcleos poliméricos, la forma y la repulsión de las partículas híbridas pueden ajustarse con precisión y producirse diferentes variaciones con relativa rapidez", explica Stiakakis, que investiga en el Instituto de Procesamiento de Información Biológica del Forschungszentrum Jülich. El físico, doctorado en el campo de la química física, lleva mucho tiempo utilizando estas moléculas helicoidales para investigar aspectos de la materia blanda autoensamblada.

"Después de grandes esfuerzos y de aplicar numerosos métodos experimentales, entre ellos la síntesis y caracterización bioquímica, así como la dispersión de rayos X y la dispersión de luz, hemos podido concluir con éxito una búsqueda de más de 20 años de cristales en racimo", afirma un encantado Likos. El físico teórico de la Facultad de Física de la Universidad de Viena prevé ahora el descubrimiento de otros estados complejos de la materia, que estarán formados por los nuevos agregados macromoleculares.

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    Forschungszentrum Jülich GmbH, Projektträger Jülich

    Financiación de la investigación en nombre de los Ministerios Federales de Educación e Investigación (BMBF), Economía (BMWA), Medio Ambiente (BMU) y varios estados federales. más