28.06.2022 - Tokyo Metropolitan University

Los científicos desvelan el misterioso mecanismo de crecimiento de los "cristales de bigote".

Los nanofilamentos delgados siguen el camino de las burbujas para crecer

Científicos de la Universidad Metropolitana de Tokio han descubierto el mecanismo que subyace al rápido crecimiento de nanocables ultrafinos o "bigotes" en compuestos orgánicos. Los nanocables son tanto una innovación tecnológica deseable como un peligro cuando cortocircuitan la electrónica: entender cómo crecen es crucial para las aplicaciones. Curiosamente, se descubrió que los filamentos crecen a partir de grandes frentes cristalinos siguiendo burbujas de gas. Y lo que es más importante, las trazas de impurezas podían suprimir la formación de burbujas y el crecimiento de bigotes, lo que permitía controlar la estructura cristalina.

Los nanocables son filamentos ultrafinos de material cristalino que prometen nuevas e interesantes aplicaciones en electrónica, catálisis y generación de energía. También pueden crecer espontáneamente donde no se desea, salvando barreras aislantes y cortocircuitando circuitos electrónicos. Saber cómo crecen es un problema tecnológico importante, pero el mecanismo exacto sigue siendo desconocido.

Un equipo formado por el profesor Rei Kurita, la profesora adjunta Marie Tani y Takumi Yashima, de la Universidad Metropolitana de Tokio, ha estudiado el crecimiento de los cristales de o-terfenilo y salol, ambos compuestos orgánicos típicos que presentan "cristales de bigote", es decir, el rápido crecimiento de finos filamentos a partir de frentes de material cristalino cuando se enfrían. Al inspeccionarlos de cerca, descubrieron que cada filamento presentaba una pequeña burbuja en su extremo. Consiguieron demostrar que esta burbuja no era una impureza o una mezcla de aire, sino una diminuta cápsula de gas del mismo compuesto orgánico. En lugar de que las moléculas del líquido se depositaran simplemente en un frente de crecimiento, como en el crecimiento normal de los cristales, se transferían al gas del interior de la burbuja antes de unirse a la punta del filamento, una imagen muy diferente de la imagen estándar de la congelación en los líquidos. Esto condujo a un crecimiento rápido sin precedentes, que también podría reproducirse en el interior de finos capilares de vidrio para un crecimiento más controlado de los nanohilos.

En cuanto a la formación de burbujas, el equipo descubrió que la gran diferencia de densidad entre el cristal y el líquido en estos compuestos tenía un papel importante. Repitiendo los experimentos en otros líquidos que no presentaban una diferencia tan grande, no encontraron crecimiento de bigotes. Pensaron que el frente cristalino era propenso a albergar grandes inhomogeneidades de densidad, lo que en última instancia conducía a la cavitación, la formación espontánea de burbujas de gas que dan lugar a los bigotes.

Tras descubrir la causa del crecimiento de los filamentos, el equipo se propuso controlar el fenómeno suprimiendo la formación de burbujas. Añadieron una pequeña cantidad de impurezas al material para suprimir la cavitación. Como es lógico, al desaparecer las burbujas, también desaparecieron los bigotes, lo que permitió un crecimiento más lento pero sin bigotes de grandes trozos de material cristalino uniforme.

Gracias a una capacidad de ajuste sin precedentes y a la comprensión de la física que subyace al proceso, el trabajo del equipo promete nuevos enfoques para el crecimiento de nanofilamentos para aplicaciones tecnológicas, así como diferentes estrategias para salvaguardar la electrónica y las baterías de los potencialmente peligrosos cortocircuitos provocados por los cristales de los bigotes.

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