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Los cuasicristales autocurativos pueden resucitar esperanzas de aplicaciones prácticas

Visualización de tomografía de rayos X que muestra dos cuasicristales a medida que comienzan a fusionarse durante el enfriamiento.  Científicos de la Universidad de Michigan han descubierto que los cuasicristales exhiben un fenómeno de autocuración que podría reducir los defectos.
Agrandar / Visualización de tomografía de rayos X que muestra dos cuasicristales a medida que comienzan a fusionarse durante el enfriamiento. Científicos de la Universidad de Michigan han descubierto que los cuasicristales exhiben un fenómeno de autocuración que podría reducir los defectos.

Grupo Shahani / Universidad de Michigan

Los cuasicristales son una clase única de materiales con una promesa considerable para aplicaciones prácticas debido a sus propiedades inusuales. Pero el progreso hacia la comprensión de que el potencial comercial se ha visto obstaculizado por el hecho de que los procesos habituales de fabricación de cuasicristales son propensos a producir defectos en forma de pequeñas grietas entre los cristales conocidos como límites de grano. Un nuevo papel publicado en la revista Nature Communications encontró que, bajo ciertas condiciones, los cuasicristales pueden curarse a sí mismos, lo que podría revivir el interés comercial en estos materiales.

Los primeros cuasicristales encontrados fueron aleaciones de metales, generalmente aluminio con uno o más metales. Eso los ha hecho útiles para un puñado de aplicaciones prácticas, como revestimientos antiadherentes para sartenes y revestimientos anticorrosivos para equipos quirúrgicos. Pero a los científicos les encantaría crear cuasicristales más complejos que sean capaces, por ejemplo, de manipular la luz para crear nuevos tipos de camuflaje o encubrimiento.

«Una de las razones por las que la industria abandonó los cuasicristales es porque están llenos de defectos». dijo el coautor Ashwin Shahani, científico de materiales en la Universidad de Michigan. «Pero esperamos traer cuasicristales de vuelta a la corriente principal. Y este trabajo sugiere que se puede hacer».

Como he escrito anteriormente, el misma definición de un cristal asume un orden precisamente simétrico de átomos en patrones periódicos que se repiten una y otra vez en una red tridimensional. Los patrones se ven iguales sin importar en qué dirección los mires, pero los cuasicristales son diferentes. Siguen claramente reglas matemáticas, pero cada celda tiene una configuración ligeramente diferente de celdas cercanas en lugar de repetirse en un patrón idéntico. Es esa estructura única la que le da a los cuasicristales sus propiedades inusuales.

Piense en colocar baldosas en el piso de un baño. Los mosaicos solo pueden tener ciertas formas simétricas (triángulos, cuadrados o hexágonos); De lo contrario, no podría unirlos sin dejar espacios o mosaicos superpuestos. Pentágonos, icosaedros y formas similares con diferentes simetrías que nunca se repiten con precisión simplemente no funcionarán, excepto en el caso de los cuasicristales, donde la naturaleza decidió que podría trabaja. El truco consiste en llenar los huecos con otros tipos de formas atómicas para crear la improbable estructura aperiódica.

Un físico israelí llamado Daniel Shechtman ganó el Premio Nobel de Química en 2011 por su descubrimiento de cuasicristales en 1982 en aleaciones de aluminio templadas rápidamente. El físico de Princeton Paul Steinhart descubrió el primer cuasicristales naturales en 2008. En 2018, los químicos de la Universidad de Brown creado un nuevo tipo de cuasicristal autoensamblado a partir de un solo tipo de nanopartícula: un punto cuántico tetraédrico (en forma de pirámide).

Estas nanopartículas también son anisotrópicas, es decir, tienen diferentes propiedades dependiendo de su orientación entre sí. Cuando se colocan sobre una superficie líquida, se ensamblan en estructuras de 10 lados llamadas decagones, y estos decagones, a su vez, se cosen para formar una red de cuasicristal con una simetría diez veces mayor. Lo que hace que esto funcione son los bordes flexibles de los decagones, que puede aplanarse en puntos clave para transformarse en polígonos con cinco, seis, siete, ocho o nueve lados, lo que sea necesario para llenar los inevitables huecos entre los decagones para hacer el cuasicristal.

Visualización de la topografía de rayos X que muestra una vista lateral de dos cuasicristales a medida que comienzan a fusionarse durante el enfriamiento.
Agrandar / Visualización de la topografía de rayos X que muestra una vista lateral de dos cuasicristales a medida que comienzan a fusionarse durante el enfriamiento.

Grupo Shahani / Universidad de Michigan

A principios de este año, los científicos de la Universidad de Utah demostró que Las ondas de ultrasonido se pueden utilizar para organizar las nanopartículas de carbono en el agua en el mismo patrón aperiódico que se encuentra en los cuasicristales. Y en mayo, Steinhardt y varios colegas anunciaron la descubrimiento de un cuasicristal previamente desconocido en rojo trinitita desde la primera detonación de una bomba atómica. Aún mejor, los investigadores pudieron determinar exactamente dónde y cómo se formó el cuasicristal gracias a los registros históricos del Proyecto Manhattan.

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