Investigación publicada en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias describe un nuevo tipo de líquido en películas delgadas, que forma un vidrio de alta densidad. Los resultados generados en este estudio, realizado por investigadores del Departamento de Química de Penn, demostrar cómo estos vidrios y otros materiales similares se pueden fabricar para que sean más densos y estables, proporcionando un marco para desarrollar nuevas aplicaciones y dispositivos a través de un mejor diseño.

El vidrio se crea típicamente a través de la solidificación, o caer fuera del equilibrio, de un líquido cuando se enfría a una temperatura en la que se detiene su movimiento. La estructura de un vaso se parece mucho a la fase líquida, pero sus propiedades son similares a las de los sólidos, similar a un cristal.

Gafas que se hacen ultrafinas, Las películas a escala nanométrica se utilizan ampliamente en aplicaciones como pantallas OLED y fibras ópticas. Pero cuando estos tipos de gafas se convierten en películas delgadas, incluso a bajas temperaturas se comportan más como un líquido, y el material resultante puede ser propenso a la formación de gotas o cristalización, que limita el tamaño de las características más pequeñas posibles.

Para hacer mejores vasos Los investigadores han utilizado la deposición de vapor en lugar de enfriar un líquido para producir un vaso. En deposición de vapor, un material se cambia de gas a sólido directamente. Si bien este método ha permitido a los investigadores crear tipos más densos de vidrios a granel, Inicialmente se pensó que las películas delgadas de vidrio fabricadas con este método seguirían teniendo las mismas propiedades similares a las de los líquidos que conducirían a la degradación e inestabilidad.

Pero Yi Jin, un doctorado reciente. graduado que trabajó en el laboratorio de Zahra Fakhraai, realizó experimentos y descubrió que este no era realmente el caso. "Yi siguió descubriendo diferentes propiedades, ninguno de los datos tenía sentido, así que profundizamos hasta tener datos suficientes para armar una imagen, "dice Fakhraai.

Jin pasó varios años realizando experimentos detallados, de cambiar el sustrato de vidrio, propiedades, y tasas de deposición para garantizar que todo su equipo se haya limpiado a fondo para descartar contaminación o error experimental.

Después de ejecutar todos los experimentos de control necesarios, los investigadores se sorprendieron al descubrir que cuando se usa la deposición de vapor, podrían acceder a un tipo diferente de líquido, con una transición de fase al líquido a granel típico al calentar. Una transición de fase es cuando un material cambia de un estado (gas, líquido, o sólido) en otro. "Los dos líquidos tienen estructuras distintas, similar al grafeno y el diamante, que son sólidos hechos de carbono pero existen en formas sólidas muy diferentes ".

"Hay muchas propiedades interesantes que surgieron de la nada, y nadie había pensado que en películas delgadas podrías ver estas fases, "dice Fakhraai." Es un nuevo tipo de material ".

Usando deposición de vapor, los investigadores pueden crear vidrios de película fina muy densos, correspondiente al envasado de esta nueva fase líquida, con una densidad mucho más alta de lo que se predijo que sería posible sin aplicar inmensas cantidades de presión. Las películas delgadas de estos vidrios pueden tener valores de densidad incluso superiores a los del cristal.

Para confirmar lo que estaban viendo los investigadores también obtuvieron información estructural detallada que muestra cómo se empaquetan las moléculas individuales utilizando equipos del Laboratorio Nacional de Brookhaven. Este análisis ayudó a los investigadores a confirmar que lo que estaban viendo no era simplemente un cristal, sino una fase completamente nueva en el vidrio.

Otra hipótesis basada en los datos que han recopilado hasta ahora es que la capacidad de acceder a esta fase única se debe a la geometría del vidrio. lo que significa que este trabajo también podría tener implicaciones para otros tipos de materiales. "Estamos desarrollando materiales que intentan reducir su escala, ", dice Jin sobre su trabajo actual en la industria de la ciencia de los materiales". Por lo que vemos en las gafas, También podría haber fenómenos interesantes que surjan de otros materiales, como los materiales metálicos que se utilizan comúnmente en semiconductores, por ejemplo."

Los investigadores del laboratorio de Fakhraai ya están trabajando en experimentos de seguimiento para aprender más sobre los parámetros cruciales que conducen a esta transición de fase única. Esto incluye estudiar películas durante el proceso de deposición y "hacer zoom" en la región de transición de fase para aprender más sobre este fenómeno recién descubierto. Este trabajo también es crucial para comprender mejor las gafas en su conjunto, dice Fakhraai, donde permanece una desconexión entre las teorías que podrían proporcionar una plataforma predictiva para el desarrollo de nuevos materiales en aplicaciones y nuevas tecnologías.

"Para empaquetar las vacunas Moderna o Pfizer, necesita un vaso que pueda bajar de temperatura y no romperse, y el hecho de que exista tecnología es un reconocimiento a lo bien que podemos diseñar la mecánica del vidrio a granel, ", dice." Nuestra esperanza es que esta comprensión fundamental motive más aplicaciones y una mejor capacidad para diseñar vidrios de película delgada con propiedades mejoradas de manera similar. Si las relaciones estructura-propiedad se entienden en películas delgadas, podemos hacerlo mejor por diseño ".