¿Ha escuchado la expresión 'la forma sigue a la función'? En ciencia de materiales, la función sigue la forma.

Una nueva investigación de Olivier Gagné de Carnegie y el colaborador Frank Hawthorne de la Universidad de Manitoba categoriza las causas de la asimetría estructural, algo sorprendente que sustentan las propiedades útiles de los cristales, incluida la ferroelectricidad, fotoluminiscencia, y capacidad fotovoltaica. Sus hallazgos se publican esta semana como artículo principal en el Revista de la Unión Internacional de Cristalografía .

"Comprender cómo los diferentes arreglos de enlaces transmiten varios atributos útiles es fundamental para las ciencias de los materiales", explicó Gagné. "Para este proyecto, estábamos particularmente interesados ​​en lo que significan las variaciones en la longitud de la unión para las características más interesantes de un material, y en cómo crear un marco para su optimización ".

Esta fue la quinta y última entrega de una serie de artículos de Gagné y Hawthorne que examinan la variabilidad en las longitudes de los enlaces de las estructuras cristalinas. En esta ocasión, se centraron en compuestos formados por oxígeno y elementos de la categoría denominada metales de transición.

Imagina la tabla periódica. Los metales de transición forman su bloque central, formando un puente que une las torres más altas de elementos en los lados izquierdo y derecho.

Como todos los metales, pueden conducir una corriente eléctrica. También tienen una enorme variedad de propiedades químicas y físicas, incluida la emisión de luz visible, maleabilidad, y magnetismo. Muchos, como el oro, platino, y la plata es apreciada por su valor. Otros, incluyendo hierro, níquel, cobre, y el titanio son cruciales para herramientas y tecnologías.

La capacidad de los metales de transición para formar una variedad de compuestos útiles se debe en gran parte a la configuración tridimensional particular de sus electrones. Como tal, los enlaces que forman en los compuestos pueden ser ampliamente asimétricos. Pero Gagné y Hawthorne querían comprender si estaban en juego otras causas de la variación de la longitud de los enlaces.

"Es un problema centenario", explicó Gagné. "Los gustos de Linus Pauling y Victor Goldschmidt hicieron de este tema uno de sus principales intereses de investigación; sin embargo, los datos simplemente no estaban allí en ese momento ".

Gagné y Hawthorne analizaron datos sobre las longitudes de enlace de 63 iones de metales de transición diferentes unidos al oxígeno en 147 configuraciones de 3, 814 estructuras cristalinas y desarrolló dos nuevos índices para contextualizar la unión asimétrica.

"Estos índices nos permiten identificar las diferentes razones que subyacen a los acuerdos de vinculación asimétrica, que con suerte nos permitirá aprovechar las propiedades que transmiten a la hora de predecir y sintetizar nuevos materiales, "Explicó Hawthorne.

Para su sorpresa, encontraron que la estructura interna de los cristales a menudo se distorsiona espontáneamente como una única función de la conectividad de su red de enlaces, un efecto que muestran ocurre con más frecuencia que la distorsión causada por efectos electrónicos o cualquier otro factor.

"Sospechamos que alguna variación en la longitud del enlace se originó a partir de controles de estructura cristalina, pero no esperábamos que fuera el factor principal subyacente a la variación de la longitud del enlace en los sólidos inorgánicos, "Explicó Gagné." Es un mecanismo que está completamente separado y no se explica por las nociones actuales de la química del estado sólido; que se ha pasado por alto desde los primeros días de la cristalografía ".