Los cristales son realmente uno de los milagros de la naturaleza, no por alguna creencia pseudocientífica en sus propiedades curativas, sino por la forma en que los átomos se alinean casi mágicamente en estructuras regulares.
Ahora, los investigadores están aprendiendo más sobre cómo se forman los cristales en diferentes superficies.
Créditos de la imagen: Jason D.
Un cristal es un material sólido cuyos componentes (como átomos, moléculas o iones) están dispuestos en una estructura microscópica altamente ordenada. Como soldados en formación, los átomos se organizan de la manera más eficiente energéticamente en las tres dimensiones, a veces produciendo formas asombrosamente regulares y hermosas, razón por la cual los cristales a menudo se miran con fascinación e interés.
Pero los cristales son más que una cara bonita, son muy útiles en una serie de aplicaciones de la vida real.
El proceso de cristalización (en el que los átomos se alinean en conjuntos ordenados) es la base de muchos materiales importantes, incluido el silicio de los microchips y las células solares. Pero mientras que los cristales pueden formarse naturalmente, a menudo, algunos materiales hechos por el hombre implican el crecimiento de cristales en superficies sólidas, en lugar de una solución. Este proceso suele ser muy difícil de estudiar y sorprendentemente ha habido poca investigación sobre este tema.
Ahora, un equipo de investigadores ha encontrado una manera de reproducir este crecimiento y estudiarlo en detalle.
Estructura microscópica de la red regular de un cristal de halita, un mineral que es esencialmente sal de mesa.
En lugar de ensamblar estos cristales a partir de átomos reales, describen una forma de hacer cristales utilizando equivalentes de átomos programables (o PAE) que se comportan como átomos en este escenario particular, pero son más grandes que los átomos. La clave de este proceso es el hecho de que la disposición de la red cristalina se basa en la geometría y no depende necesariamente de ninguna propiedad química o electrónica específica de sus constituyentes.
En el estudio, el equipo utilizó nanopartículas esféricas de oro recubiertas con hebras de ADN. Las cadenas individuales de ADN tienen la propiedad de unirse a otras cadenas de ADN, por lo que fue una forma segura de lograr que las partículas se alinearan de la manera deseada.
Si pongo un cepillo muy denso de ADN en la partícula, hará tantos enlaces con tantos vecinos más cercanos como sea posible, dice Robert Macfarlane, uno de los autores del estudio. Y si diseña todo apropiadamente y lo procesa correctamente, formarán estructuras cristalinas ordenadas. Si bien ese proceso se conoce desde hace algunos años, este trabajo es el primero en aplicar ese principio para estudiar el crecimiento de cristales en las superficies.
Las estructuras resultantes son más fáciles de estudiar que los cristales convencionales porque son aproximadamente 100 veces más grandes. Además, el proceso de formación también es mucho más lento, lo que facilita su análisis en detalle.
El proceso de formación de cristales en una superficie plana, como se muestra en esta imagen de microscopio electrónico, ha sido difícil de estudiar en detalle hasta ahora. Crédito: Robert Macfarlane
Esto podría permitir a los investigadores comprender mejor y mejorar la fabricación de cristales, modificando el proceso de fabricación en función del resultado deseado.
Comprender cómo crecen los cristales hacia arriba desde una superficie es increíblemente importante para muchos campos diferentes, dice. La industria de los semiconductores, por ejemplo, se basa en el crecimiento de grandes materiales monocristalinos o multicristalinos que deben controlarse con gran precisión, pero los detalles del proceso son difíciles de estudiar. Es por eso que el uso de análogos de gran tamaño como los PAE puede ser de gran beneficio.
El único inconveniente de este enfoque es que crear bolas recubiertas de ADN de esta manera es costoso. Como siguiente paso, el laboratorio de Macfarlane está buscando formas de reproducir estas estructuras utilizando materiales económicos.
Referencia de revista: Diana J. Lewis et al. Construcciones Winterbottom monocristalinas de superredes de nanopartículas, Nature Materials (2020). DOI: 10.1038/s41563-020-0643-6
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