Cuando los científicos hablan de cristales, a menudo se refieren a cristales individuales. Estas estructuras altamente ordenadas consisten en átomos, moléculas o iones dispuestos en un patrón tridimensional repetitivo. Debido a que sus unidades de construcción repetitivas son regulares y se apilan ordenadamente una encima de otra, los monocristales tienden a ser fuertes, uniformes y fáciles de caracterizar.
Pero la naturaleza rara vez proporciona monocristales perfectos. En cambio, los materiales suelen presentarse como agregados policristalinos, una mezcolanza de monocristales más pequeños y orientados aleatoriamente.
Esa disparidad es importante porque las propiedades de un material dependen en gran medida de cómo se agrupan sus átomos o moléculas. Por ejemplo, el rendimiento de las células solares de silicio y los LED depende del tamaño y la orientación de los diminutos monocristales del material.
Ahora los investigadores, que informan en la revista ACS Nano, describen cómo filmaron el crecimiento de los cristales. El equipo, dirigido por Yassar Dahman de la Universidad de Virginia, utilizó un método de microscopía conocido como microscopía de fuerza atómica para observar cómo se nuclean pequeños cristales sobre un sustrato de silicio.
Los microscopios de fuerza atómica utilizan un voladizo afilado, similar al de un microscopio de sonda de barrido, para escanear la superficie. A medida que el voladizo se mueve a través de una muestra, su posición vertical se ajusta según sea necesario para mantener una fuerza constante entre la punta y la superficie. Los datos resultantes se pueden utilizar para determinar cómo varía la topografía de la superficie a lo largo del escaneo.
El grupo configuró su instrumento para escanear un área ligeramente mayor que 2 micrómetros de lado, cada 2 milisegundos, un proceso que continuaron durante más de media hora. El vídeo de los investigadores muestra cómo se forman islas cristalinas a escala nanométrica en el sustrato. El vídeo también revela que las islas crecen rápidamente, se fusionan entre sí y se mueven por la superficie a medida que el material se reorganiza, formando eventualmente cristales más grandes y perfectos.
"Se puede ver una pequeña isla naciendo, que comenzará a crecer y eventualmente llegará a otra isla y se fusionará con ella", dice Dahman.
Dahman señala que la escala de tiempo de la película es órdenes de magnitud más rápida que la de otras técnicas utilizadas para obtener imágenes del movimiento de átomos en superficies, como la microscopía de efecto túnel. "Lo que estamos mostrando aquí es muy diferente de lo que vemos con esas técnicas, que muestran imágenes estáticas porque exploran la superficie muy lentamente", dice. "Estamos viendo una película, en lugar de una imagen fija".
La técnica también revela que las islas inicialmente tienen estructuras diferentes, pero luego la estructura más estable toma el control a medida que los cristales crecen, dice Dahman. “La estructura más estable es la que tiene menor energía superficial”, explica.
Dahman dice que el equipo espera utilizar el nuevo método de microscopía para estudiar cómo crecen diferentes materiales en tiempo real, aprender más sobre por qué los materiales adoptan estructuras cristalinas específicas y diseñar mejores materiales para diversas aplicaciones.
Matthew J. Highland, de la Universidad de Chicago, que no participó en la investigación, dice que el trabajo es "muy intrigante" y "emocionante".
"La capacidad de observar la evolución del crecimiento de los cristales in situ a nanoescala es de gran valor para este campo", afirma. Y aunque los investigadores tomaron imágenes de cristales creciendo en silicio, Highland señala que "esta técnica es igualmente aplicable a una variedad de otros sistemas de materiales, incluidos semiconductores orgánicos, óxidos metálicos e incluso biomoléculas".
