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    Los científicos fabrican una nueva clase de sólido cristalino

    Esta imagen muestra los resultados del escaneo de microdifracción de rayos X (μSXRD) con resolución espacial submicrométrica. Lauedifracción (a) de un monocristal Sb2S3 no restringido (arriba) y un cristal RLS Sb2S3 fabricado con láser (abajo). Imágenes aumentadas (b) de reflexión seleccionada (852) extraídas de patrones de Laue (a, inferior) obtenido para diferentes puntos del cristal RLS (c). Crédito:D. Savytskii, H. Jain, N. Tamura y V. Dierolf

    Científicos de la Universidad de Lehigh, en colaboración con el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, han demostrado la fabricación de lo que ellos llaman una nueva clase de sólido cristalino mediante el uso de una técnica de calentamiento por láser que induce a los átomos a organizarse en una red giratoria sin afectar la forma macroscópica del sólido.

    Controlando la rotación de la red cristalina, los investigadores dicen que podrán fabricar un nuevo tipo de monocristales sintéticos y materiales "bioinspirados" que imiten la estructura de biominerales especiales y también sus propiedades ópticas y electrónicas superiores.

    El grupo informó sus hallazgos hoy (3 de noviembre) en Informes científicos , un diario de la naturaleza en un artículo titulado "Arquitectura monocristalina de celosía giratoria en la superficie del vidrio". El autor principal del artículo es Dmytro Savytskii, científico investigador del departamento de ciencia e ingeniería de materiales de Lehigh.

    Los otros autores son Volkmar Dierolf, profesor distinguido y presidente del departamento de física de Lehigh; Himanshu Jain, el T.L. Catedrático Distinguido Diamond en Ingeniería y Ciencias Aplicadas y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Lehigh; y Nobumichi Tamura del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en Berkeley, California.

    El desarrollo de los cristales simples de celosía giratoria (RLS) sigue a un descubrimiento informado en marzo en Informes científicos en el que el grupo de Lehigh demostró por primera vez que se podía cultivar un solo cristal a partir de vidrio sin derretir el vidrio.

    En un sólido cristalino típico, los átomos están dispuestos en una red, una repetición regular, o estructura tridimensional periódica. Cuando se ve desde cualquier ángulo, de izquierda a derecha, arriba y abajo, de adelante hacia atrás:se hace evidente una periodicidad específica del cristal. Vidrio, por el contrario, es un material amorfo con una estructura atómica desordenada.

    Debido a que no tienen límites de grano entre los cristales interconectados, Los materiales monocristalinos a menudo poseen una mecánica excepcional, Propiedades ópticas y eléctricas. Los monocristales dan a los diamantes su brillo y las palas de las turbinas de chorro su resistencia a las fuerzas mecánicas. Y el monocristal de silicio del que está hecho un chip de silicio le confiere propiedades conductoras superiores que forman la base de la microelectrónica.

    La periodicidad, o patrón repetitivo, en un monocristal de celosía giratoria, dijeron Jain y Dierolf, difiere de la periodicidad en un monocristal típico.

    "Hemos descubierto que cuando cultivamos un cristal a partir de vidrio, "dijo Jain, "la periodicidad no resulta de alguna manera. En una dirección, se ve perfecto pero si giras la celosía y la miras desde un ángulo diferente, ves que toda la estructura está girando ".

    "En un material monocristalino típico, "dijo Dierolf, "una vez que descubro cómo se repite el patrón, luego, si conozco la ubicación precisa de un átomo, Puedo predecir la ubicación precisa de cada átomo. Esto es posible solo porque los cristales individuales poseen un orden de largo alcance.

    "Cuando cultivamos un cristal RLS a partir de vidrio, sin embargo, hemos encontrado que la periodicidad no resulta de alguna manera. Para predecir la ubicación de cada átomo, Tengo que saber no solo la ubicación precisa de un átomo en particular, sino también el ángulo de rotación de la red.

    "Por lo tanto, tenemos que modificar ligeramente la definición de los libros de texto de monocristales ".

    La rotación dijo Jain, ocurre a escala atómica y no afecta la forma del material de vidrio. "Sólo la cadena de átomos se dobla, no todo el material. Podemos ver la curvatura de la red cristalina con difracción de rayos X ".

    Para lograr esta rotación, los investigadores calientan una porción muy pequeña de la superficie de un material de vidrio sólido con un láser, lo que hace que los átomos se vuelvan más flexibles.

    "Los átomos quieren organizarse en línea recta, pero el vidrio circundante no permite esto, "dijo Jain." En cambio, el cristal, siendo completamente sólido, fuerza la configuración de los átomos a doblarse. Los átomos se mueven y tratan de organizarse en una red cristalina, idealmente en un monocristal perfecto, pero no pueden porque el vidrio evita que se forme el cristal perfecto y obliga a los átomos a organizarse en una red rotacional. La belleza es que la rotación se produce sin problemas en la escala micrométrica.

    "Nuestro láser impone un grado de asimetría en el crecimiento del cristal. Controlamos la asimetría de la fuente de calor para imponer este patrón de rotación en los átomos".

    La capacidad del grupo para controlar la cantidad de calentamiento es fundamental para la formación de la celosía giratoria, dijo Jain.

    "La clave para la creación de la red atómica giratoria es que ocurre sin derretir el vidrio. La fusión permite demasiada libertad de movimiento atómico, lo que hace imposible controlar la organización de la celosía.

    "Nuestra forma sutil de calentar el vidrio supera esto. Calentamos solo la superficie del vidrio, no en el interior. Esto es muy preciso, Calefacción muy localizada. Provoca solo un movimiento limitado de los átomos, y nos permite controlar cómo se doblará la red atómica ".

    Se han observado celosías giratorias en ciertos biominerales en el océano, dijeron Jain y Dierolf, y también puede ocurrir a muy pequeña escala en algunos minerales naturales como las esferulitas.

    "Pero nadie había hecho esto anteriormente a mayor escala de forma controlada, que hemos logrado con la imposición asimétrica de un láser para provocar la celosía giratoria, "dijo Jain.

    "Los científicos no podían comprender este fenómeno antes porque no podían observarlo a una escala lo suficientemente grande. Somos el primer grupo en inducir que esto suceda en una dimensión efectivamente ilimitada con un láser".

    Jain y Dierolf y su grupo están planeando más estudios para mejorar su capacidad para manipular el orden de los átomos.

    Los investigadores realizaron el calentamiento láser del vidrio en Lehigh y caracterizaron el vidrio con micro difracción de rayos X en un sincrotrón en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Planean realizar una caracterización adicional en Berkeley y con microscopía electrónica en Lehigh.

    El proyecto ha sido financiado durante seis años por el Departamento de Energía de EE. UU.

    "Esta es una forma novedosa de hacer monocristales, ", dijo Dierolf." Abre un nuevo campo al crear un material con propiedades novedosas ".

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