La extraña clase de materiales conocidos como cuasicristales tiene un nuevo miembro. En un artículo publicado el jueves, 20 de diciembre en Ciencias , investigadores de la Universidad de Brown describen una superrejilla cuasicristalina que se autoensambla a partir de un solo tipo de bloques de construcción de nanopartículas.

Esta es la primera observación definitiva de una superrejilla cuasicristalina formada a partir de un solo componente, dicen los investigadores. El descubrimiento proporciona una nueva perspectiva sobre cómo pueden surgir estas extrañas estructuras cristalinas.

"Las celosías de cuasicristal de un solo componente se han predicho matemáticamente y en simulaciones por computadora, pero no se había demostrado antes de esto, "dijo Ou Chen, profesor asistente de química en Brown y autor principal del artículo. "Es un tipo de cuasicristal fundamentalmente nuevo, y hemos podido averiguar las reglas para hacerlo, que será útil en el estudio continuo de las estructuras de cuasicristal ".

Los materiales de cuasicristal fueron descubiertos por primera vez en la década de 1980 por el químico Dan Shechtman, quien en 2011 fue galardonado con el Premio Nobel por el descubrimiento. A diferencia de los cristales, que consisten en patrones ordenados que se repiten, los cuasicristales están ordenados pero sus patrones no se repiten. Los cuasicristales también tienen simetrías que no son posibles en los cristales tradicionales. Cristales normales, por ejemplo, puede tener simetrías triples que surgen de triángulos repetidos o simetría cuádruple de cubos repetidos. También son posibles simetrías de dos y seis veces. Pero los cuasicristales pueden tener cinco exóticos, Simetrías de 10 o 12 pliegues, todos los cuales están "prohibidos" en los cristales normales.

Los primeros materiales cuasicristalinos descubiertos fueron las aleaciones metálicas, generalmente aluminio con uno o más metales. Hasta aquí, estos materiales han encontrado uso como revestimientos antiadherentes para sartenes y revestimientos anticorrosivos para equipos quirúrgicos. Pero ha habido mucho interés en fabricar nuevos tipos de materiales de cuasicristal, incluidos materiales hechos de nanopartículas autoensamblables.

Chen y sus colegas no se habían propuesto originalmente investigar cuasicristales. Gran parte del trabajo de Chen ha consistido en cerrar la brecha entre los mundos a nanoescala y macroescala mediante la construcción de superestructuras a partir de bloques de construcción de nanopartículas. Hace unos dos años, diseñó un nuevo tipo de bloque de construcción de nanopartículas:un punto cuántico tetraédrico (en forma de pirámide). Mientras que la mayoría de las investigaciones sobre estructuras de construcción a partir de nanopartículas se han realizado con partículas esféricas, Los tetraedros de Chen pueden compactarse más estrechamente y potencialmente formar estructuras más complejas y robustas.

Otra característica clave de las partículas de Chen es que son anisotrópicas, lo que significa que tienen diferentes propiedades dependiendo de su orientación entre sí. Una cara de cada partícula de pirámide tiene un ligando diferente (un agente de unión) que todas las demás caras. Las caras con ligandos similares tienden a unirse entre sí cuando las partículas se ensamblan en estructuras más grandes. Esa unión dirigida crea estructuras más interesantes y complejas en comparación con las partículas que carecen de anisotropía.

En una investigación publicada recientemente en la revista Naturaleza , Chen y su equipo demostraron una de las superestructuras más complejas creadas hasta la fecha a partir de bloques de construcción de nanopartículas. En ese trabajo, las superestructuras se ensamblaron mientras las partículas interactuaban con un sustrato sólido. Para este último trabajo, Chen y sus colegas querían ver qué tipo de estructuras harían las partículas cuando se ensamblaran sobre una superficie líquida, lo que da a las partículas más grados de libertad al ensamblarse.

El equipo se sorprendió al descubrir que la estructura resultante era en realidad una red cuasicristalina.

"Cuando me di cuenta de que el patrón que estaba viendo era un cuasicristal, Le envié un correo electrónico a Ou y le dije:'Creo que encontré algo genial, '", dijo Yasutaka Nagaoka, un becario postdoctoral en el laboratorio de Chen y el autor principal del nuevo artículo. "Fue realmente emocionante."

Utilizando microscopía electrónica de transmisión, los investigadores mostraron las partículas ensambladas en decágonos discretos (polígonos de 10 lados), que se cosieron entre sí para formar una celosía de cuasicristal con simetría rotacional de 10 veces. Esa simetría de diez veces, prohibido en cristales regulares, era un signo revelador de una estructura cuasicristalina.

Los investigadores también pudieron adivinar las "reglas" por las que se formó su estructura. Mientras que los decagones son las unidades primarias de la estructura, no son, ni pueden ser, las únicas unidades de la estructura. Formar un cuasicristal es un poco como colocar baldosas en un piso. Las baldosas deben encajar juntas de manera que cubran todo el piso sin dejar huecos. Eso no se puede hacer usando solo decagones porque no hay forma de unirlos sin dejar espacios. Se necesitan otras formas para rellenar los agujeros.

Lo mismo ocurre con esta nueva estructura cuasicristalina:requieren "mosaicos" secundarios que puedan llenar los espacios entre los decagones. Los investigadores encontraron que lo que permitió que su estructura funcionara es que los decagones tienen bordes flexibles. Cuando sea necesario, uno o más de sus puntos se podrían aplanar. Haciendo eso, podrían transformarse en polígonos con nueve, ocho, Siete, seis o cinco lados, lo que fuera necesario para llenar el espacio entre los decágonos.

"Estos decagones están en este espacio confinado que tienen que compartir pacíficamente, "Dijo Chen." Así que lo hacen flexibilizando sus bordes cuando lo necesitan ".

From that observation, the researchers were able to develop a new rule for forming quasicrystals that they call the "flexible polygon tiling rule." That rule, Chen dice, will be useful in continued study of the relatively new area of quasicrystals.

"We think this work can inform research in material science, química, mathematics and even art and design, "Dijo Chen.