Como dos imanes que se acercan el uno al otro, pequeños cristales se retuercen, alinearse y chocar entre sí, pero debido a una fuerza completamente diferente. Por primera vez, Los investigadores han medido la fuerza que los une y visualizado cómo giran y se alinean.

Llamadas fuerzas de van der Waals, la atracción proporciona información sobre cómo los cristales se autoensamblan, una actividad que ocurre en una amplia gama de casos en la naturaleza, desde rocas hasta conchas y huesos.

"Es provocativo en el sentido de que a partir de este tipo de medidas se puede construir un modelo de ensamblaje tridimensional, con partículas que se adhieren entre sí de formas selectas, como los ladrillos de Lego, ", dijo el químico Kevin Rosso del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía." Los cristales están en la mayoría de los lugares de la naturaleza, y este trabajo nos ayudará a aprovechar estas fuerzas cuando diseñamos nuevos materiales ".

Fuerza de fusión

Los cristales forman estructuras de soporte en una variedad de materiales naturales y sintéticos. Los cristales más grandes pueden acumularse a partir de los más pequeños. Aunque generalmente tiene forma de cubos, los cristales tienen varios lados diferentes, algunos de los cuales encajan bien entre sí y otros que no. Cuando los lados coincidentes están orientados correctamente, los cristales pueden fusionarse sin problemas, creciendo más y más.

Pero lo que hace que los cristales se acerquen lo suficiente para fusionarse en primer lugar, y pueden auto-alinearse? Se han insinuado muchos tipos de fuerzas a lo largo de los años, pero las herramientas para delimitar las correctas no han existido.

Ahora, Rosso y equipos de PNNL, EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en PNNL, y la Universidad de Pittsburgh desarrolló un nuevo enfoque mediante la combinación de un microscopio electrónico de transmisión ambiental, llamado ETEM, con sondas de fuerza de nanocristales que permiten a los científicos observar cómo los cristales interactúan en una situación real. Xin Zhang, químico postdoctoral de PNNL, y Yang He, usuario de EMSL, un doctorado estudiante de la Universidad de Pittsburgh, utilizó recursos dentro de EMSL para examinar cómo se acoplan los cristales de óxido de titanio.

Para entender su experimento, imagina sosteniendo dos imanes y moviéndolos uno hacia el otro. Cuando están tan cerca que la fuerza atractiva supera el esfuerzo que está utilizando para mantenerlos separados, saltarán juntos. El equipo de PNNL hizo esto, pero a una escala mucho menor y con una fuerza que no es magnetismo.

Un pequeño salto

El equipo necesitaba usar cristales muy pequeños que no abrumarían las fuerzas débiles que esperaban ver. Colocaron cristales de óxido de titanio entre cien y mil veces más delgados que un cabello humano (dependiendo del cabello) a cada lado de un instrumento que mide la fuerza. Luego, el equipo movió los cristales uno hacia el otro, retorcido en varios ángulos diferentes entre ellos, hasta que los dos se juntaron.

El equipo también separó los cristales y midió cuánta fuerza tomó también. Estas medidas permitieron a los investigadores caracterizar la fuerza en detalle. Hay varios tipos diferentes de fuerzas que funcionan para objetos de este tamaño, y con análisis adicionales, el equipo concluyó que las fuerzas llamadas van der Waals eran las que causaban la autoalineación.

Y un giro

Además, querían poner cara a un nombre, en una forma de hablar, de una predicción teórica de las fuerzas de van der Waals realizada en la década de 1970. La teoría permitió a los científicos calcular el par de torsión entre los cristales que se retuercen entre sí (imagínese girando una barra de pan para arrancar un trozo de pan) en función del ángulo entre ellos.

Así que el equipo también midió la fuerza entre dos cristales mantenidos a una distancia constante pero torcidos en direcciones opuestas entre sí. La coautora física computacional Maria Sushko comparó los datos con las predicciones que hizo la teoría y demostró que la teoría se mantenía.

"Esta es la primera medida y prueba de que la fuerza depende de cómo giran los cristales entre sí, lo que llamamos dependiente de rotación, "dijo Rosso." Si son rotacionalmente dependientes, esto implica que esta fuerza contribuirá a alinear los cristales libres que chocan en un ambiente líquido, por ejemplo, aumentando la tasa de adherencia exitosa ".

Además, probar la conexión significa que será más fácil determinar tales fuerzas de atracción para cristales hechos de diferentes materiales, como el carbonato de calcio que se encuentra en las conchas marinas. Los científicos podrán determinar estas fuerzas conectando números a una ecuación en lugar de volver a hacer todos los experimentos.

El estudio se publica en Ciencias .