La deformación mecánica genera quiralidad
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La deformación mecánica es una de las herramientas más habituales que se utilizan para adaptar las propiedades de los materiales. En los materiales piezoeléctricos, al estirar o comprimir un cristal se genera una polarización eléctrica. En los materiales piezomagnéticos, se induce la magnetización. Investigadores del Instituto Max Planck de Estructura y Dinámica de la Materia (MPSD) y de la Universidad de Oxford han descubierto ahora que la deformación mecánica también induce quiralidad en cristales no quirales, lo que abre una nueva vía para controlar esta propiedad a voluntad y, potencialmente, imprimir propiedades electrónicas quirales. Este trabajo acaba de publicarse en Nature.
La quiralidad es una propiedad importante de la materia. Se define como una propiedad de los objetos que no pueden superponerse a sus imágenes especulares mediante ninguna combinación de rotaciones o traslaciones, de forma muy similar a las distintas manos izquierda y derecha. En los cristales quirales, la disposición espacial de los átomos da lugar a una quiralidad específica, en la que la estructura cristalina se retuerce a lo largo de una dirección de propagación de forma similar a un tornillo. Como consecuencia, la propagación en una dirección —por ejemplo, de una corriente eléctrica— puede encontrar una resistencia diferente a la que se propaga en la dirección opuesta. Este efecto también influye en ciertas reacciones químicas y procesos biológicos, que favorecen una orientación específica. En este sentido, la capacidad de controlar la quiralidad a voluntad, transformando una estructura diestra en una zurda, resulta muy deseable.
Sin embargo, «a diferencia de la polarización eléctrica o la magnetización, la quiralidad carecía hasta ahora de un mecanismo físico general que permitiera su control externo», señala Zhiyang Zeng, primer autor de este estudio. Los investigadores del MPSD han demostrado ahora que la deformación mecánica proporciona precisamente ese mecanismo. En lugar de sintetizar un material quiral, parten de un cristal que no es quiral en su estado sin deformación. La aplicación de una deformación reorganiza las posiciones de los átomos en el cristal lo justo para crear una estructura zurda o diestra.
Para demostrar este efecto, el equipo monitorizó la aparición de la actividad óptica del cristal —una firma característica de la quiralidad— mientras aplicaba una deformación mecánica controlada. Sorprendentemente, la orientación del estado quiral inducido viene determinada por las condiciones de deformación. La deformación por tracción y compresión genera una orientación opuesta, mientras que aplicar la deformación a lo largo de diferentes direcciones del cristal ofrece otra forma de seleccionar el estado quiral resultante. «Dado que la deformación es reversible, la quiralidad inducida puede generarse, eliminarse y seleccionarse repetidamente», explica Michael Först, coautor de esta publicación.
Más allá de demostrar el efecto experimentalmente, el equipo estableció un marco teórico que revela cuándo la simetría cristalina permite que se produzca este efecto piezoquiral. Lo utilizaron para crear una base de datos de acceso abierto con materiales candidatos (https://piezochiral.org), lo que permite a investigadores de todo el mundo buscar y explorar cristales piezoquirales.
Este trabajo establece una nueva estrategia para la ingeniería de la quiralidad. En lugar de quedar fijada de forma permanente mediante el crecimiento cristalino o la síntesis química, la quiralidad ahora puede generarse, controlarse y activarse a voluntad en un material originalmente aquiral. Esto abre nuevas oportunidades para controlar materiales reconfigurables mecánicamente.
«Hemos denominado a este fenómeno el efecto piezoquiral», afirma Andrea Cavalleri, que dirigió la investigación en Hamburgo (en colaboración con Paolo Radaelli, de la Universidad de Oxford). «Permite inducir quiralidad en sustratos para una gran variedad de películas delgadas o en materiales a granel, y podría dar lugar a estrategias para, por ejemplo, crear nuevos tipos de propiedades quirales, como la superconductividad».
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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