Resuelto el misterio de la formación de cuasicristales bidimensionales a partir de óxidos metálicos
"Estamos impacientes por saber si este acuerdo especial producirá propiedades completamente nuevas y útiles"
La estructura del óxido de titanio bidimensional se frena a altas temperaturas añadiendo bario; en lugar de hexágonos regulares, se crean anillos de cuatro, siete y diez átomos que se ordenan aperiódicamente. Un equipo de la Universidad Martin Luther de Halle-Wittenberg (MLU) hizo este descubrimiento en colaboración con investigadores del Instituto Max Planck (MPI) de Física de Microestructuras, la Universidad Grenoble Alpes y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (Gaithersburg, EE.UU.), resolviendo así el enigma de la formación de cuasicristales bidimensionales a partir de óxidos metálicos. Sus hallazgos se han publicado en la revista "Nature Communications".
Una subestructura formada por anillos de distintos tamaños se integra perfectamente en una estructura hexagonal.
Uni Halle / Stefan Förster
Los hexágonos son frecuentes en la naturaleza. El ejemplo más conocido es el panal de abejas, pero el grafeno o diversos óxidos metálicos, como el óxido de titanio, también forman esta estructura. "Los hexágonos son un patrón ideal para disposiciones periódicas", explica Stefan Förster, investigador del grupo de Física de Superficies e Interfaces del Instituto de Física de la MLU. "Encajan tan perfectamente que no hay huecos". En 2013, este grupo hizo un asombroso descubrimiento al depositar una capa ultrafina que contenía óxido de titanio y bario sobre un sustrato de platino y calentarla a unos 1.000 grados centígrados en vacío ultraalto. Los átomos se dispusieron en triángulos, cuadrados y rombos que se agrupan en formas simétricas aún mayores con doce aristas. Se creó una estructura con una simetría rotacional de 12 pliegues, en lugar de la periodicidad esperada de 6 pliegues. Según Förster, "se crearon cuasicristales que tienen una estructura aperiódica. Esta estructura está formada por agrupaciones atómicas básicas muy ordenadas, aunque la sistemática que subyace a este orden es difícil de discernir para el observador." Los físicos de Halle fueron los primeros del mundo en demostrar la formación de cuasicristales bidimensionales en óxidos metálicos.
Desde su descubrimiento, los mecanismos que subyacen a la formación de estos cuasicristales han seguido siendo desconcertantes. Los físicos de la MLU han resuelto ahora este enigma en colaboración con investigadores del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras de Halle, la Universidad Grenoble Alpes y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (Gaithersburg, EE.UU.). Mediante elaborados experimentos, cálculos energéticos y microscopía de alta resolución, han demostrado que las altas temperaturas y la presencia de bario crean una red de anillos de titanio y oxígeno con cuatro, siete y diez átomos respectivamente. "El bario rompe los anillos atómicos y los estabiliza", explica Förster, que dirige el proyecto conjunto. "Un átomo de bario se incrusta en un anillo de siete, dos en uno de diez". Esto es posible porque los átomos de bario interactúan electrostáticamente con el soporte de platino, pero no forman un enlace químico con los átomos de titanio u oxígeno.
Con su último descubrimiento, los investigadores han hecho algo más que aclarar una cuestión fundamental de la física. "Ahora que conocemos mejor los mecanismos de formación a nivel atómico, podemos intentar fabricar estos cuasicristales bidimensionales en otros materiales de aplicación, como óxidos metálicos o grafeno", explica Förster. "Nos entusiasma saber si esta disposición especial producirá propiedades completamente nuevas y útiles".
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