(Phys.org):en un artículo recién publicado en Materiales de la naturaleza , un equipo de investigadores que incluye a William T.M. Irvine, profesor asistente de física en la Universidad de Chicago, ha logrado crear un defecto en la estructura de un cristal de una sola capa simplemente insertando una partícula extra, y luego observar como el cristal se "cura" a sí mismo. El truco de esta propiedad de autocuración es que el cristal, una serie de partículas microscópicas, debe ser curvado.

Este efecto, lo que conlleva importantes implicaciones para mejorar la conductividad de la electrónica y otros ámbitos de la ciencia de los materiales, fue predicho hace seis años por el físico Mark Bowick de la Universidad de Syracuse, junto con David Nelson, Homin Shin y Alex Travesset, en investigación apoyada por la National Science Foundation. NSF también financió el nuevo estudio.

Para probar su predicción experimentalmente, Bowick buscó a Paul M. Chaikin del Centro de Investigación de Materias Blandas de la Universidad de Nueva York. Chaikin contó con la ayuda de Irvine mientras era un científico postdoctoral que trabajaba en el laboratorio de Chaikin.

Los tres investigadores se especializan en la rama de la ciencia de los materiales llamada "materia blanda, "que estudia una amplia gama de sustancias semisólidas como geles, espumas y cristales líquidos.

DE MATERIA BLANDA Y ADEREZO PARA ENSALADA

Bowick describió las microemulsiones de materia blanda con las que trabaja como similares a un aderezo ranchero a base de mayonesa.

"La mayonesa está hecha de una mezcla de aceite de oliva y vinagre (que es esencialmente agua), ", explicó." Tienes que batir los ingredientes durante mucho tiempo para dispersar pequeñas gotas de vinagre en el aceite y hacer una emulsión ". Pero mantener tantas gotas mezcladas uniformemente en todo el aceite requiere la presencia de un tensioactivo, un estabilizador que es igualmente feliz tanto en el aceite como en el agua.

"Con aderezo ranchero, el tensioactivo utilizado son partículas de semillas de mostaza trituradas, que se colocan en la interfaz entre el agua y el aceite, "Dijo Bowick." Las partículas de semillas de mostaza se acumulan en la superficie de las gotas de agua ".

Para estudiar cristales curvos, los investigadores emularon el aderezo ranchero agregando partículas microscópicas de vidrio acrílico a una emulsión de gotitas de glicerol, mezclado en una base de aceite.

Como la semilla de mostaza las partículas de vidrio se acumulan naturalmente en la superficie de las gotitas de glicerol individuales. Dependiendo del experimento, en algún lugar entre 100 y 10, 000 partículas recubren cada gota.

Las cargas eléctricas positivas de las partículas se repelen entre sí, haciendo que se organicen naturalmente en un patrón de panal, con cada partícula igualmente distante de otras seis.

CRISTALES ASUSTADOS

El patrón regular de seis lados no encaja perfectamente alrededor de la gota esférica más que envolver un balón de fútbol como regalo da como resultado una cubierta de papel perfectamente plana. Así como el papel se arruga al moldearlo a la superficie de la bola, el patrón de cristal curvo genera 12 defectos, o cicatrices, uniformemente espaciados alrededor de la esfera.

El número y la ubicación de estas cicatrices es una propiedad estructural fundamental prescrita por la geometría de la esfera. Se puede ver un patrón similar en la cubierta de cuero del balón de fútbol, que requiere 12 pentágonos de cinco lados (defectos) espaciados uniformemente dentro de un patrón general de seis lados.

Bowick fue miembro del equipo que descubrió originalmente esta propiedad de 12 cicatrices de los cristales curvos en 2003. Después de eso, se preguntó qué pasaría si añadieran una partícula extra, llamado intersticial, justo en el medio del cristal.

"Aunque las partículas se han autoorganizado en un patrón de cristal, todavía son libres de moverse dentro de esa estructura, "Dijo Bowick." Uno esperaría que una partícula adicional simplemente separara un poco a las otras y se asentara en su lugar, como lo haría en una superficie plana ".

El resultado sería un patrón defectuoso que contiene un área de formas de siete y cinco lados, en lugar de los hexágonos regulares de seis lados. Pero lo que Bowick y sus colegas predijeron utilizando modelos informáticos es que en una superficie curva, una partícula extra agregada a medio camino entre dos cicatrices crearía un defecto en el patrón que se divide en dos partes.

Calcularon que la tensión en la estructura cristalina causada por estos dos defectos "fluiría" fuera del sitio, como ondas en un estanque, a medida que las partículas reajustan sus distancias entre sí. Eventualmente, los defectos migrarían a cicatrices opuestas, donde desaparecerían.

Asombrosamente, los científicos predijeron que la masa de la partícula original permanecería cerca de donde fue colocada, and large areas of the hexagonal pattern would have rotated slightly ­— about 30 degrees. But the original defect would be gone.

To prove this remarkable result experimentally, sin embargo, required a special instrument.

MAKING IT WORK

"William Irvine had already begun his beautiful experiments in my lab on colloidal crystals on curved surfaces, " recalled NYU's Chaikin. "The present study came from a conversation that Mark Bowick and I had on a plane coming back from a meeting several years ago. Mark's experiment was a natural extension of William's work."

"For this project, we had to figure out how to add a particle to the curved crystal, while imaging the particles as they shift around in three-dimensional space, " explained Irvine, who is now at UChicago's James Franck Institute. "This makes the experiment considerably more complicated."

Irvine planned to use optical tweezers to grab a microscopic particle from the surrounding emulsion and place it on the surface of a droplet using radiation pressure from a focused laser beam.

"In most experiments, you come in with the laser 'tweezers' using the same lens as you use for imaging the particle, and that's great, because you want to focus the beam on the same plane where you're looking, " Irvine said.

But for this experiment, the laser tweezers and the microscope had to be separated.

"A confocal microscope selects a very thin slice of the object to be imaged, so that one slice is in focus and the rest of the image (before and after) is out of focus, like a photo of a person with their face in focus and the background blurred, " he explained. "In order to create a full three-dimensional image, you move the objective up and down and bring the different slices into focus one at a time."

But moving the lens also moves the laser beam holding the particle.

"In order to hold onto a particle and watch what happens as you gradually bring it to the surface of the droplet, you have to essentially build a second microscope on top of the first one, " Irvine said. "Technically, that's not trivial—you have to get a lot of things to work at the same time."

But once Irvine had designed and built the instrument, the team tested Bowick's predictions and actually created video images showing the defects moving across the crystal surface and disappearing into the scars.

SELF-HEALING GRAPHENE

"The study of crystals on curved surfaces is interesting and important for systems that range from geodesic domes to viruses to Buckyballs, " said Chaikin, referring to symmetric molecules of carbon. "The defect structure and the 'healing' of defects are particularly important in the conductivity, heat and mechanical properties of carbon nanotubes, graphene and similar materials."

Grafeno a two-dimensional sheet of carbon molecules, is a very strong material and a good conductor of electricity.

"There are always going to be defects that will decrease the conductivity of graphene, " said Bowick. "Ultimately, for electronic devices, you want graphene with high conductivity and as pure as possible."

And that's where the researchers' discovery could prove an ideal solution. "You might be able to simply flex a piece of graphene, remove the defects, and improve the conductivity, " Bowick said.