Un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de Waseda y la Universidad de Tokio encontró que el orden orbital en un compuesto de vanadato exhibe un claro comportamiento de nucleación-crecimiento.

"Creemos que esta es la primera observación de este tipo, donde los electrones en un sólido inorgánico crearon dos fases suaves similares al vapor y al agua, y donde se observó un comportamiento de nucleación-crecimiento debido a la tensión superficial creada entre las fases, "dice Takuro Katsufuji, profesor de ciencias físicas en la Universidad de Waseda e investigador principal de este estudio.

Los investigadores publicaron sus hallazgos revisados ​​por pares en Comunicaciones de la naturaleza el 11 de mayo 2020.

Cuando el vapor de agua se condensa, el vapor se convierte en rocío a medida que se forman y crecen núcleos de agua, fases de transición de gas a líquido. Esta formación y crecimiento de los núcleos se denomina proceso de nucleación-crecimiento, y ocurre en varios tipos de transiciones de fase.

Aunque las transiciones de fase también ocurren en sólidos, nunca se ha observado un comportamiento de nucleación-crecimiento durante las transiciones de fase basadas en electrones en materiales inorgánicos. La explicación más probable es que debe haber tensión superficial para que ocurra este comportamiento, pero los sólidos duros solo podían crear una tensión superficial insignificante en comparación con una energía elástica en masa.

En su estudio, Katsufuji y su equipo utilizaron el compuesto de vanadato BaV ₁₀ O ₁₅ , un óxido con vanadio y bario. Previamente, encontraron que en 130K, o aproximadamente -140 ° C, la dirección de los orbitales poseídos por los electrones del vanadio se alinean, desencadenando una transición de fase conocida como orden orbital en este compuesto.

"Sabiendo esto, lo que hicimos en nuestro estudio reciente fue reemplazar parcialmente el vanadio con titanio, un elemento químico ubicado a la izquierda del vanadio en la tabla periódica, para controlar la temperatura de transición del orden orbital, "Explica Katsufuji." Revelamos que el proceso de nucleación-crecimiento estaba sucediendo midiendo la dependencia del tiempo de la resistividad eléctrica, Susceptibilidad magnética, y la tensión en el orden orbital de este vanadato, y descubrió que los electrones habían creado dos fases blandas parecidas a vapor-agua en este sólido orgánico y que había tensión superficial entre las dos fases ".

En el pasado, Se han probado métodos para obtener características deseables con coexistencia de dos fases en sólidos con varios materiales y dispositivos, pero en la mayoría de los casos Ha sido difícil controlar la relación de volumen y las formas de las dos fases. Sin embargo, se espera que para estas fases blandas recién descubiertas, controlar la relación de volumen y sus formas podría hacerse más fácilmente. También, BaV ₁₀ O ₁₅ es conocido por su excelente desempeño como material termoeléctrico que puede generar electricidad a partir de la diferencia de temperatura, haciendo de este compuesto con dos fases coexistiendo un material atractivo.

Katsufuji agrega, "La razón por la cual ocurre el proceso de nucleación-crecimiento en BaV ₁₀ O ₁₅ se debe a que la tensión superficial entre las dos fases es bastante grande como resultado del acoplamiento de grados de libertad llamados orbitales y espines en electrones. Esperamos avanzar en la investigación desde la perspectiva de que este es un fenómeno nuevo que surge de estos grados de libertad de electrones acoplados ".

Los investigadores planean medir varias cantidades físicas del compuesto de vanadato en un estado en el que coexisten las dos fases y comprender cómo pueden cambiar sus propiedades físicas y cómo pueden mejorar sus características como material funcional. Más lejos, BaV ₁₀ O ₁₅ es el primer material como compuesto inorgánico donde se observó el proceso de nucleación-crecimiento, pero será necesario averiguar si hay otros materiales que exhiban un comportamiento de nucleación-crecimiento.