Observan por primera vez materiales bidimensionales ultrafinos en un estado entre sólido y líquido
Nuevos conocimientos sobre las transiciones de fase a nivel atómico en materiales reales
Cuando el hielo se funde con el agua, esto ocurre rápidamente y la transición de sólido a líquido es inmediata. Sin embargo, los materiales muy finos no siguen estas reglas. Aquí es donde surge un estado inusual entre el sólido y el líquido: la fase hexatica. Investigadores de la Universidad de Viena han logrado observar directamente esta fase exótica en un cristal atómicamente fino. Utilizando microscopía electrónica de última generación y redes neuronales, filmaron un cristal de yoduro de plata protegido con grafeno mientras se fundía. Los materiales ultrafinos y bidimensionales permitieron a los investigadores observar directamente los procesos de fusión a nivel atómico. Los nuevos hallazgos contribuyen significativamente a nuestra comprensión de estas transiciones de fase. Sorprendentemente, las observaciones contradicen las predicciones anteriores, un resultado que se ha publicado ahora en Science.
Cuando el hielo se funde, todo sucede muy deprisa: en cuanto se alcanza la temperatura de fusión, la estructura sólida y ordenada del hielo se transforma bruscamente en agua líquida y desordenada. Una transición tan brusca es típica del comportamiento de fusión de todos los materiales tridimensionales, desde metales y minerales hasta bebidas heladas.
Sin embargo, cuando un material se vuelve tan fino que es prácticamente bidimensional, las reglas de la fusión cambian drásticamente. Entre las fases sólida y líquida puede surgir una nueva y exótica fase intermedia de la materia denominada "fase hexatica". Esta fase hexatica, que se predijo por primera vez en la década de 1970, es un extraño estado híbrido. El material se comporta como un líquido, en el que las distancias entre las partículas son irregulares, pero hasta cierto punto también como un sólido, ya que los ángulos entre las partículas permanecen relativamente bien ordenados.
Hasta ahora, esta fase sólo se había observado en sistemas modelo mucho más grandes, como las esferas de poliestireno densamente empaquetadas, por lo que no estaba claro si también podía darse en materiales cotidianos con enlaces covalentes. El equipo internacional de investigación dirigido por la Universidad de Viena ha logrado demostrarlo: los científicos han podido observar por primera vez este proceso en cristales atómicamente finos de yoduro de plata (AgI), resolviendo así un misterio que duraba décadas. Sus resultados no sólo confirman la existencia de este elusivo estado en materiales fuertemente ligados, sino que también aportan nuevos y sorprendentes conocimientos sobre la naturaleza de la fusión en dos dimensiones.
Los "sándwiches de grafeno" hacen posible la nueva observación
Para lograr este avance, los investigadores desarrollaron un ingenioso método para estudiar el proceso de fusión de cristales frágiles y atómicamente finos. Incrustaron una única capa de un cristal de yoduro de plata entre dos capas de grafeno. Este "sándwich" protector impidió que el frágil cristal se plegara sobre sí mismo durante el proceso de fusión. Utilizando un microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM) de última generación, el equipo calentó gradualmente la muestra hasta más de 1.100 °C y filmó el proceso de fusión en tiempo real a nivel atómico.
"Sin el uso de herramientas de IA como las redes neuronales, habría sido imposible rastrear todos estos átomos individuales", explica Kimmo Mustonen, de la Universidad de Viena y autor principal del estudio. El equipo entrenó la red con enormes cantidades de conjuntos de datos simulados antes de procesar las miles de imágenes de alta resolución generadas por el experimento.
Su análisis reveló un resultado notable: dentro de un estrecho margen de temperatura -unos 25 °C por debajo del punto de fusión del AgI- apareció una clara fase hexática. Las medidas complementarias de difracción de electrones confirmaron este hallazgo y aportaron pruebas fehacientes de la existencia de este estado intermedio en materiales atómicamente delgados y fuertemente enlazados.
Un nuevo capítulo en la física de la fusión
El estudio también reveló un giro inesperado. Según las teorías anteriores, las transiciones de sólido a hexa y de hexa a líquido deberían ser continuas. Sin embargo, los investigadores observaron que, mientras que la transición de sólido a hexatico era efectivamente continua, la transición de hexatico a líquido era abrupta, similar a la fusión del hielo en agua. "Esto indica que la fusión en cristales bidimensionales covalentes es mucho más compleja de lo que se pensaba", afirma David Lamprecht, de la Universidad de Viena y la Universidad Tecnológica de Viena (TU), uno de los autores principales del estudio junto con Thuy An Bui, también de la Universidad de Viena.
Este descubrimiento no sólo desafía las predicciones teóricas de hace tiempo, sino que también abre nuevas perspectivas en el estudio de los materiales a nivel atómico. "Kimmo y sus colegas han demostrado una vez más lo potente que puede ser la microscopía de resolución atómica", afirma Jani Kotakoski, director del grupo de investigación de la Universidad de Viena.
Los resultados del estudio no sólo profundizan nuestra comprensión de la fusión en dos dimensiones, sino que también ponen de relieve el potencial de la microscopía avanzada y la IA para explorar las fronteras de la ciencia de los materiales".
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