Muchas sustancias a nuestro alrededor desde la sal de mesa y el azúcar hasta la mayoría de los metales, están dispuestos en cristales. Debido a que sus moléculas están dispuestas de forma ordenada, patrón repetitivo, se sabe mucho sobre su estructura.

Sin embargo, un número mucho mayor de sustancias, incluido el caucho, el vidrio y la mayoría de los líquidos, carecen de ese orden fundamental en todas partes, lo que dificulta la determinación de su estructura molecular. Hasta la fecha, La comprensión de estas sustancias amorfas se ha basado casi por completo en modelos teóricos y experimentos indirectos.

Un equipo de investigación dirigido por UCLA está cambiando eso. Usando un método que desarrollaron para mapear la estructura atómica en tres dimensiones, los científicos han observado directamente cómo se empaquetan los átomos en muestras de materiales amorfos. Los resultados, publicado hoy en Materiales de la naturaleza , puede forzar una reescritura del modelo convencional e informar el diseño de futuros materiales y dispositivos que utilicen estas sustancias.

"Creemos que este estudio tendrá un impacto muy importante en la comprensión futura de los sólidos y líquidos amorfos, que se encuentran entre las sustancias más abundantes en la Tierra". "dijo el autor principal del estudio, Jianwei "John" Miao, profesor de física y astronomía de UCLA y miembro del California NanoSystems Institute de UCLA. "Comprender las estructuras fundamentales puede conducir a avances tecnológicos dramáticos".

Comenzando en 1952 con el trabajo del físico británico Frederick Charles Frank, el conocimiento científico predominante ha sido que los átomos y moléculas en un líquido o sólido amorfo generalmente encajan en grupos de 13. El modelo sostiene que están configurados con un átomo central o molécula rodeada por los otros 12, dos anillos de cinco alrededor del centro partícula, con otro tapando la parte superior y otro tapando la parte inferior.

Para modelar cómo grupos de átomos o moléculas podrían encajar a mayor escala, Los científicos conceptualizan este grupo de 13 como una forma 3D al tratar cada partícula exterior como una esquina y conectar los puntos, resultando en un sólido con 20 caras triangulares, llamado icosaedro, una forma familiar para cualquier jugador de Dungeons &Dragons en forma de dado de 20 caras.

Miao y sus colegas encontraron algo diferente, aunque.

El equipo analizó tres objetos metálicos amorfos mediante tomografía electrónica atómica. Este poderoso método de obtención de imágenes envía electrones a una muestra y mide los electrones a medida que la atraviesan, capturar datos varias veces a medida que se gira la muestra para que los algoritmos informáticos puedan construir una imagen en 3D.

Los investigadores descubrieron que solo una fracción muy pequeña de los átomos formaba grupos icosaédricos de 13. Más bien, el arreglo más comúnmente visto fue grupos de siete, con cinco en una capa central, uno arriba, uno en la parte inferior y sin un átomo central, una forma que los investigadores describen como una bipirámide pentagonal, que tiene 10 caras triangulares. También observaron que estas bipirámides pentagonales formaban redes en las que los bordes a menudo se compartían.

"Desde el artículo de Frank, la comunidad científica ha creído que el orden icosaédrico es el motivo estructural más importante en líquidos o sólidos amorfos, "Dijo Miao." Pero hasta ahora, nadie más ha podido trazar un mapa de la posición de todos los átomos y comprobarlo. Encontramos que la bipirámide pentagonal es el motivo más prevalente. La naturaleza parece preferir combinarse en sietes ".

El predominio de esa combinación fue consistente en las muestras estudiadas por los investigadores, OMS, por simplicidad, materiales seleccionados que existen como átomos individuales en su escala fundamental. Los materiales examinados fueron una fina película de tantalio, que es un metal raro utilizado para componentes electrónicos, y dos nanopartículas de paladio, un metal importante para los convertidores catalíticos que hace que los gases de escape de los automóviles sean menos tóxicos.

El equipo también utilizó sus datos experimentales como base para una simulación por computadora de lo que sucede cuando el tantalio se derrite y luego se enfría rápidamente para que no se formen cristales. resultando en lo que se llama un vidrio metálico. En la simulación, los átomos de tantalio empaquetados de manera similar en redes de bipirámides pentagonales con más frecuencia que cualquier otra forma, tanto en forma líquida como en vaso.

Estos hallazgos pueden impulsar una reconsideración de ciertos aspectos del modelo físico de la ciencia para el mundo que nos rodea. Y debido a que los materiales amorfos están integrados en ciertos semiconductores y numerosos dispositivos, incluyendo paneles solares, esta investigación podría ser un paso temprano para reemplazar el ensayo y error con un diseño con propósito cuando estos materiales están involucrados.

"Este trabajo, junto con nuestro reciente artículo de Nature sobre materiales no cristalinos, puede ser comparable en influencia a la primera vez que la ciencia reveló la estructura atómica 3D de los cristales de sal hace más de un siglo, "Dijo Miao.