Cuando el científico israelí Daniel Shechtman vio por primera vez un cuasicristal a través de su microscopio en 1982, supuestamente pensó para sí mismo, "Eyn chaya kazo":en hebreo, "No puede haber tal criatura".

Pero hay, y el cuasicristal se ha convertido en un tema de mucha investigación en los 35 años transcurridos desde el descubrimiento ganador del Premio Nobel de Shechtman. ¿Qué hace que los cuasicristales sean tan interesantes? Su estructura inusual:los átomos en los cuasicristales están dispuestos de manera ordenada pero no periódica, a diferencia de la mayoría de los cristales, que se componen de un tridimensional, Disposición ordenada y periódica (repetida) de átomos.

El laboratorio de Uli Wiesner, el Profesor Spencer T.Olin de Ingeniería en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (MSE) de la Universidad de Cornell, se ha unido a los científicos que persiguen esta área de estudio relativamente nueva. Y al igual que Shechtman, que descubrió cuasicristales mientras estudiaba patrones de difracción de cristales de aluminio-manganeso, Wiesner se topó con los cuasicristales un poco por accidente.

Mientras trabajaba con nanopartículas de sílice, a partir de las cuales se fabrican los puntos de Cornell (o puntos C) patentados del laboratorio Wiesner, uno de sus estudiantes se topó con una estructura de sílice inusual, no periódica pero ordenada, dirigido por el autoensamblaje químicamente inducido de grupos de moléculas, o micelas.

"Por primera vez, vemos esta estructura [cuasicristalina] en nanopartículas, que nunca antes se había visto hasta donde sabemos, "dijo Wiesner, cuyo equipo de investigación procedió a realizar cientos de experimentos para capturar la formación de estas estructuras en las primeras etapas de su desarrollo.

Su trabajo resultó en un documento, "Vías de formación de nanopartículas de sílice mesoporosa con revestimiento dodecagonal, "publicado el 15 de agosto en Comunicaciones de la naturaleza . Los autores principales son el ex estudiante de doctorado de MSE Yao Sun, el actual postdoctorado Kai Ma y la estudiante de doctorado Teresa Kao. Otros colaboradores incluyeron a Lena Kourkoutis, profesor asistente de física aplicada e ingeniería; Veit Elser, profesor de física; y estudiantes de posgrado Katherine Spoth, Hiroaki Sai y Duhan Zhang.

Estudiar la evolución de los cuasicristales de nanopartículas de sílice, la mejor solución sería tomar un video del proceso de crecimiento, pero eso no fue posible, Dijo Wiesner.

"Las estructuras son tan pequeñas, solo puedes verlos a través de un microscopio electrónico, ", dijo." La sílice se degrada bajo el haz de electrones, de modo que no es posible observar una partícula durante un período de tiempo más largo ".

¿La solución? Realice muchos experimentos, detener el proceso de crecimiento de los cuasicristales en diferentes puntos, obtención de imágenes con microscopía electrónica de transmisión (TEM), y comparar los resultados con simulaciones por computadora, realizado por Kao. Esta imagen hecho por Sun y Ma, le dio al equipo una especie de mirada de lapso de tiempo al proceso de crecimiento de cuasicristal, que podrían controlar de dos formas diferentes.

Una forma era variar la concentración del compuesto químico mesitileno, también conocido como TMB, un expansor de poros. La imagen incluyendo crio-TEM realizado por Spoth, mostró que a medida que aumentaba la concentración de TMB, las micelas se hicieron más grandes y heterogéneas. La adición de TMB indujo cuatro cambios en la estructura de nanopartículas mesoporosas, comenzando como un hexagonal y terminando como un cuasicristal dodecagonal (de 12 lados).

"Cuanto más TMB agreguemos, cuanto más amplia sea la distribución del tamaño de los poros, "Wiesner dijo, "y eso perturba la formación de cristales y conduce a los cuasicristales".

La otra forma de hacer evolucionar estas estructuras es mecánica. Comenzando con una estructura cristalina hexagonal, el equipo descubrió que simplemente agitando la solución cada vez más vigorosamente, introdujeron una alteración que también cambió la distribución del tamaño de las micelas y desencadenó los mismos cambios estructurales "hasta el cuasicristal, "Dijo Wiesner.

Gran parte del descubrimiento en este trabajo fue "serendipia, "Wiesner dijo, el resultado de "cientos y cientos" de experimentos de crecimiento realizados por los estudiantes.

Cuanto mayor sea el conocimiento adquirido sobre la formación temprana de estas partículas únicas, cuanto mejor sea su comprensión de las nanopartículas de sílice, que están en el corazón del trabajo de su grupo con los puntos de Cornell.

"A medida que las técnicas mejoran, la capacidad de ver estructuras pequeñas y comprender mejor sus mecanismos de ensamblaje está mejorando, ", dijo." Y todo lo que nos ayude a comprender estos primeros pasos de formación nos ayudará a diseñar mejores materiales al final ".