Se ha encontrado un fenómeno sorprendente en las nanopartículas metálicas:aparecen, desde fuera, ser gotitas de liquido, tambaleándose y cambiando rápidamente de forma, mientras que sus interiores conservan una configuración de cristal perfectamente estable.

El equipo de investigación detrás del hallazgo, dirigido por el profesor del MIT Ju Li, dice que el trabajo podría tener importantes implicaciones para el diseño de componentes en nanotecnología, como contactos metálicos para circuitos electrónicos moleculares.

Los resultados, publicado en la revista Materiales de la naturaleza , provienen de una combinación de análisis de laboratorio y modelado por computadora, por un equipo internacional que incluyó investigadores en China, Japón, y Pittsburgh, así como en el MIT.

Los experimentos se realizaron a temperatura ambiente, con partículas de plata pura de menos de 10 nanómetros de ancho, menos de una milésima parte del ancho de un cabello humano. Pero los resultados deberían aplicarse a muchos metales diferentes, dice Li, autor principal del artículo y profesor de ciencia e ingeniería nuclear de la BEA.

La plata tiene un punto de fusión relativamente alto:962 grados Celsius, o 1763 grados Fahrenheit, por lo que la observación de cualquier comportamiento similar a un líquido en sus nanopartículas fue "bastante inesperado, ", Dice Li. Se habían visto indicios del nuevo fenómeno en trabajos anteriores con estaño, que tiene un punto de fusión mucho más bajo, él dice.

El uso de nanopartículas en aplicaciones que van desde la electrónica hasta los productos farmacéuticos es un área de investigación activa; generalmente, Li dice:estos investigadores "quieren formar formas, y quieren que estas formas sean estables, en muchos casos durante un período de años ". Por lo tanto, el descubrimiento de estas deformaciones revela una barrera potencialmente seria para muchas de estas aplicaciones:por ejemplo, si se utilizan nanoligamentos de oro o plata en circuitos electrónicos, estas deformaciones pueden provocar que las conexiones eléctricas fallen rápidamente.

Solo en la piel

Las imágenes detalladas de los investigadores con un microscopio electrónico de transmisión y el modelado atomístico revelaron que, si bien el exterior de las nanopartículas metálicas parece moverse como un líquido, sólo las capas más externas, de uno o dos átomos de espesor, se mueven realmente en un momento dado. A medida que estas capas externas de átomos se mueven a través de la superficie y se vuelven a depositar en otra parte, dan la impresión de un movimiento mucho mayor, pero dentro de cada partícula, los átomos permanecen perfectamente alineados, como ladrillos en una pared.

"El interior es cristalino, por lo que los únicos átomos móviles son la primera o las dos primeras monocapas, "Li dice." En todas partes, excepto en las dos primeras capas, es cristalino ".

Por el contrario, si las gotitas se derritieran a un estado líquido, el orden de la estructura cristalina se eliminaría por completo, como una pared que se derrumba en un montón de ladrillos.

Técnicamente, la deformación de las partículas es pseudoelástica, lo que significa que el material vuelve a su forma original después de que se eliminan las tensiones, como una pelota de goma apretada, en contraposición a la plasticidad, como en un trozo de arcilla deformable que conserva una nueva forma.

El fenómeno de la plasticidad por difusión interfacial fue propuesto por primera vez por Robert L. Coble, profesor de ingeniería cerámica en el MIT, y se conoce como "Coble creep". "Lo que vimos se llama acertadamente pseudoelasticidad de Coble, "Li dice.

Ahora que se ha entendido el fenómeno, Los investigadores que trabajan en nanocircuitos u otros nanodispositivos pueden compensarlo fácilmente, Dice Li. Si las nanopartículas están protegidas incluso por una fina capa de óxido, el comportamiento similar al líquido se elimina casi por completo, haciendo posibles circuitos estables.

Posibles beneficios

Por otra parte, para algunas aplicaciones, este fenómeno puede ser útil:por ejemplo, en circuitos donde los contactos eléctricos deben resistir la reconfiguración rotacional, partículas diseñadas para maximizar este efecto podrían resultar útiles, utilizando metales nobles o una atmósfera reductora, donde se desestabiliza la formación de una capa de óxido, Dice Li.

El nuevo hallazgo va en contra de las expectativas, en parte, debido a una relación bien entendida, en la mayoría de los materiales, en el que la resistencia mecánica aumenta a medida que se reduce el tamaño.

"En general, cuanto menor sea el tamaño, cuanto mayor sea la fuerza, "Li dice, pero "en tamaños muy pequeños, un componente material puede debilitarse mucho. La transición de 'más pequeño es más fuerte' a 'más pequeño es mucho más débil' puede ser muy brusca ".

Ese cruce él dice, tiene lugar a unos 10 nanómetros a temperatura ambiente, un tamaño al que se acercan los fabricantes de microchips a medida que los circuitos se encogen. Cuando se alcanza este umbral, Li dice:provoca "una caída muy precipitada" en la fuerza de un nanocomponente.

Los hallazgos también podrían ayudar a explicar una serie de resultados anómalos observados en otras investigaciones sobre partículas pequeñas, Dice Li.