Una nueva técnica que produce modelos 3D de cristales individuales ha abierto una ventana para que los científicos vean las sutiles desviaciones que emergen en sus patrones, que de otro modo serían perfectos.
Investigadores de la Universidad de Nueva York (NYU) volvieron a la mesa de dibujo sobre cómo mirar en el interior de los sólidos formados por unidades repetidas y determinar cómo crecen.
Con una longitud de onda corta aproximadamente del mismo tamaño que muchas de las unidades repetidas que forman los cristales, los rayos X han permitido durante mucho tiempo a los científicos inferir cómo encajan los componentes de un cristal midiendo el ángulo en el que se difractan los rayos.
Sin embargo, a pesar de todo su ingenio, la cristalografía de rayos X tiene sus límites, que se resumen bastante claramente en la frase inicial de un nuevo artículo publicado en Materiales de la naturaleza este mes: “Las estructuras de los cristales moleculares se identifican mediante técnicas de dispersión porque no podemos ver su interior”.
El artículo describe una nueva técnica que promete cambiar finalmente ese hecho, aunque no para los cristales compuestos de unidades repetidas de átomos individuales.
Más bien, se trata de cristales compuestos de patrones basados en partículas coloidalesque son lo suficientemente grandes como para ser vistos con un microscopio convencional y manipulados de una manera que sería imposible para los átomos.
El estudio de estos cristales ha permitido avances en la comprensión de la dinámica de los cristales. Los investigadores citan experimentos con estructuras coloidales que arrojan luz sobre la formación y evolución de dislocaciones dentro de estructuras cristalinas.
Al igual que la cristalografía de rayos X, esta técnica tiene límites. Las dificultades para encontrar formas confiables de obtener imágenes de cristales coloidales relativamente complejos han significado que su estudio se haya limitado hasta ahora en gran medida a estructuras delgadas y simples formadas a partir de una sola partícula constituyente.
Por el contrario, muchos cristales a escala atómica están formados por dos o más elementos y forman estructuras tridimensionales complejas.
La nueva técnica iniciada por el equipo de la Universidad de Nueva York promete permitir el estudio de análogos coloidales de estas redes relativamente complejas. La técnica se basa en algunos de los trabajos anteriores del equipo, en los que desarrollaron un proceso llamado “autoensamblaje Coulombic atenuado por polímero”, o PACS.
PACS utiliza cargas eléctricas de partículas coloidales individuales para atraerlas hacia redes cristalinas, lo que permite la construcción confiable de cristales coloidales binarios: cristales formados por moléculas compuestas de dos especies diferentes de partículas de la misma manera que, digamos, se forman cristales de sal de mesa a partir de sodio y cloro.
El nuevo estudio demuestra la eficacia de sembrar estas partículas coloidales individuales con un tinte fluorescente para distinguir una especie de otra y, lo que es más importante, continúa haciéndolo una vez que han formado cristales. Esto significa que, por fin, los científicos pueden “mirar dentro” de un cristal completamente formado y hacer observaciones directas de sus entrañas.
Como los investigadores informe“Somos capaces de distinguir todas las partículas dentro de un cristal iónico binario y reconstruir la estructura interna 3D completa hasta profundidades de ~200 capas”.
El equipo de la Universidad de Nueva York informa varios hallazgos nuevos que ya han obtenido de las observaciones.
El proceso conocido como “hermanamiento”, en el que las redes de dos cristales se alinean de tal manera que comparten componentes a lo largo de un plano común, ha sido de interés para los científicos durante mucho tiempo.
Los investigadores describen la creación de cristales coloidales que reproducen las estructuras cúbicas a escala atómica de varios minerales diferentes: la red alterna de sodio y cloro antes mencionada que forma la sal de mesa; cloruro de cesio, donde ocho átomos de cloro forman una “jaula” alrededor de un único átomo de cesio; y el ejemplo algo más exótico de la auricúprida, un compuesto de cobre y oro, donde cada cara de una red cúbica de átomos de oro está puntuada por un único átomo de cobre, como un dado donde todas y cada una de las caras son un uno.
En cada caso, el equipo pudo realizar observaciones directas de la evolución de los cristales maclados, proporcionando así una observación experimental directa de cómo surgen tales estructuras.
“Esta observación directa revela sin ambigüedades las complejidades internas de la estructura cristalina, aclarando la relación entre las interacciones de las partículas y la forma cristalina macroscópica, incluida la aparición y el impacto de los defectos y los hermanamientos”, afirman los investigadores. informe.
El grupo espera con ansias desentrañar los misterios de los cristales, más de 100 años después de que el descubrimiento de los rayos X permitiera a la humanidad tener su primer indicio de las complejidades de la estructura cristalina.
La investigación ha sido publicada en Materiales de la naturaleza.