Vibraciones exóticas en nuevos materiales
Nuevos conocimientos demuestran la aplicabilidad universal de la carbina como sensor
Para el diseño de futuros materiales, es importante comprender cómo interactúan entre sí los átomos individuales de un material desde el punto de vista de la mecánica cuántica. Hasta ahora, los estados vibratorios inexplicables entre cadenas de carbono (carbyne) y nanotubos han desconcertado a los científicos de materiales. Investigadores de Austria, Italia, Francia, China y Japón dirigidos por la Universidad de Viena han logrado ahora llegar al fondo de este fenómeno con ayuda de la espectroscopia Raman, modelos teóricos innovadores y el uso del aprendizaje automático. Los resultados publicados en "Nature Communications" demuestran la aplicabilidad universal del carbino como sensor debido a su sensibilidad a las influencias externas.
Para el diseño de futuros materiales, es importante comprender cómo interactúa la materia a escala atómica. Estos efectos mecánicos cuánticos determinan todas las propiedades macroscópicas de la materia, como las eléctricas, magnéticas, ópticas o elásticas. En los experimentos, los científicos utilizan la espectroscopia Raman, en la que la luz interactúa con la materia, para determinar los estados propios vibracionales de los núcleos atómicos de las muestras.
Hace nueve años, el grupo de investigación de Thomas Pichler, de la Universidad de Viena, consiguió por primera vez estabilizar el carbyne, una cadena lineal de átomos de carbono, en nanotubos de carbono, para sorpresa de la comunidad científica. La carbina, que hasta ahora sólo se había encontrado en un tubo, tiene propiedades electrónicas controlables, esenciales para la tecnología de semiconductores, y podría ser el material más resistente conocido por su resistencia a la tracción. En su experimento, el equipo observó un estado inesperado del sistema, que no se ajustaba al modelo explicativo común y que en su momento fue totalmente incomprendido.
Ahora, los investigadores han estudiado más a fondo este inexplicable estado del sistema. Utilizando un modelo teórico innovador, que sólo ha podido aplicarse gracias a los recientes avances en aprendizaje automático, han sido capaces de encontrar una explicación para las novedosas interacciones entre la cadena y el nanotubo observadas en los laboratorios, que en un principio parecen paradójicas. "Aunque la cadena y el nanotubo están aislados electrónicamente y, por tanto, no intercambian electrones, están sujetos a un acoplamiento inesperadamente fuerte entre las vibraciones de las dos nanoestructuras", explica Emil Parth, de la Universidad de Viena, autor principal del estudio publicado en Nature Communications. En otras palabras, la carbina y el nanotubo se comunican electrónicamente, mientras que al mismo tiempo están aislados electrónicamente en el sentido clásico. Este acoplamiento mecánico cuántico de vibraciones suele ser insignificante, pero en este caso concreto es extraordinariamente fuerte debido a las propiedades electrónicas intrínsecas y a la inestabilidad estructural de la cadena.
Esto es lo que hace que la cadena sea tan interesante, ya que reacciona con fuerza a las influencias externas. Por tanto, interactúa fuertemente con el nanotubo que la rodea. El nuevo estudio demuestra que, sorprendentemente, esta interacción no es unilateral, ya que el carbyne también modifica las propiedades del nanotubo, aunque de una forma distinta a la que se suponía hasta ahora. "La sensibilidad de la carbina a las influencias externas es crucial para su posible aplicación en futuros materiales y dispositivos como sensor óptico sin contacto a nanoescala, por ejemplo como sensor de temperatura local para mediciones de transporte de calor", concluye Thomas Pichler, director del grupo de investigación de la Universidad de Viena.
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Publicación original
Emil Parth, Andrea Corradini, Weili Cui, Davide Romanin, Christin Schuster, Clara Freytag, Lei Shi, Kazuhiro Yanagi, Matteo Calandra, Thomas Pichler; "Anharmonic effects control interaction of carbyne confined in carbon nanotubes shaping their vibrational properties"; Nature Communications, Volume 16, 2025-5-26
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