(Phys.org) —Creciendo películas delgadas a partir de nanopartículas en orden, hojas cristalinas, para hacer cualquier cosa, desde componentes microelectrónicos hasta células solares, sería una bendición para los investigadores de materiales, pero la física es complicada porque las partículas de ese tamaño no forman cristales como lo hacen los átomos individuales.

Usando partículas más grandes como modelos, Los físicos han predicho algunas propiedades inusuales del crecimiento de cristales de nanopartículas, en particular, que unas partículas, debido a sus tamaños y las fuerzas de atracción entre ellos, crecen cristales que se derriten cuando se enfrían.

Un estudio dirigido por John Savage, ex asociado postdoctoral en el laboratorio de Itai Cohen, profesor asociado de física, mostró que los cristales coloidales, que se forman a partir de partículas suspendidas en un fluido, puede exhibir este extraño fenómeno de fusión en frío. El estudio fue publicado en línea el 20 de mayo en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

Por lo general, las personas cultivan cristales de diferentes materiales, como el arseniuro de galio semiconductor común, como láminas en capas de átomos fuertemente enlazados. Los cristales coloidales son diferentes; se forman cuando las partículas coloidales suspendidas en un fluido se autoensamblan en matrices.

Para que los coloides del tamaño de una micra formen cristales, los investigadores introdujeron partículas de tamaño nanométrico en el fluido, que compiten con los coloides más grandes por el espacio y terminan juntando los coloides, pero solo cuando la distancia entre ellos es menor que las nanopartículas. Debido a que esta atracción resulta de la energía térmica de los movimientos de las nanopartículas, los enlaces entre las partículas coloidales también son relativamente débiles.

Estos de corto alcance, atracciones débiles entre partículas, a diferencia de los enlaces atómicos fuertes, exhiben algunos comportamientos sorprendentes. Por ejemplo, Cohen dijo:en solución, las partículas solo pueden sentirse unas a otras cuando están separadas por menos de una nanopartícula. Pero si las partículas coloidales descansan sobre un sustrato de partículas, que establece el espacio entre ellos, entonces el rango de la interacción puede aumentar dramáticamente.

Descubrieron que las partículas del sustrato mantienen los coloides sueltos el tiempo suficiente para que puedan empujar e interactuar con sus vecinos en el plano. pero solo de vez en cuando. Efectivamente, parece que las partículas están formando enlaces con sus vecinos en el plano, a pesar de que solo lo hacen a veces.

"Esto permite que los vecinos en el plano formen cristales débilmente unidos cuyo espaciado entre partículas es mucho mayor de lo que cabría esperar que fuera posible". dada la naturaleza de corto alcance de la interacción, "Dijo Cohen.

Cuando bajaron la temperatura para que los enlaces entre las partículas fueran más fuertes que su energía térmica, las partículas se empujaron menos. Como consecuencia, se sentaron más profundamente en el pozo formado por las partículas del sustrato e interactuaron con sus vecinos en el plano con menos frecuencia.

El resultado, Cohen dijo:es que los coloides ya no podían formar enlaces en el plano que pudieran mantener el cristal unido, por lo que las partículas pueden difundirse y el cristal se disuelve o se derrite. "Es este efecto extraño, "Cohen dijo, "donde el cristal se derrite al enfriarse".

Estos resultados podrían ayudar a los investigadores de materiales a adaptar el crecimiento de cristales compuestos de nanopartículas, donde surgen efectos similares, para nuevas aplicaciones en electrónica o materiales energéticos.

El estudio, "Formación de cristales impulsada por la entropía en sustratos muy tensos, "contó con el apoyo de la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah y la Fundación Nacional de Ciencias.