Imagínese si pudiera observar una pequeña cantidad de un elemento químico no identificado (de menos de 100 átomos de tamaño) y saber en qué tipo de material se convertiría el elemento en grandes cantidades antes de ver la acumulación más grande.

Ese pensamiento ha animado durante mucho tiempo la obra de Julius Jellinek, científico emérito senior de la división de Ingeniería y Ciencias Químicas del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). Su reciente descubrimiento con su colaborador Koblar Jackson, profesor en el Departamento de Física de la Universidad Central de Michigan, tiene el potencial de impactar dramáticamente la disciplina de la ciencia a nanoescala.

Según Jellinek, la clasificación de elementos y materiales en grandes cantidades en diferentes tipos:metales, semiconductores y aislantes - está bien establecido y entendido. Pero la identificación de tipos de materiales a nanoescala no es tan sencilla. De hecho, aunque el término "nanomateriales" se utiliza ampliamente, La ciencia de los materiales a nanoescala aún no se ha desarrollado completamente.

"Elementos y compuestos en cantidades muy pequeñas, o nanocantidades, se comportan de manera muy diferente a sus contrapartes a granel, ", Explicó Jellinek. Por ejemplo, Los pequeños grupos atómicos de elementos que son metales en grandes cantidades solo adquieren características metálicas a medida que aumentan de tamaño.

Este fenómeno se conoce como transición a la metalicidad inducida por el tamaño, e incitó a Jellinek y Jackson a preguntarse:¿Es posible predecir qué tipo de material será un elemento no identificado en grandes cantidades basándose únicamente en las propiedades que exhibe en un rango limitado del régimen de tamaño subnano a nano?

La respuesta resultó ser enfática, y algo sorprendente, "sí."

En su papel "Universalidad en la evolución impulsada por el tamaño hacia la polarización masiva de los metales", publicada como Comunicación en el 7 de octubre, 2018, cuestión de Nanoescala , Jellinek y Jackson demostraron que al usar su análisis de polarizabilidad a nivel atómico desarrollado previamente, podrían predecir si un elemento no identificado sería un metal o no metal en grandes cantidades al observar las propiedades de polarización de sus pequeños grupos. (La polarización describe cómo los sistemas y materiales responden a un campo eléctrico externo).

Es más, si un elemento no identificado será un metal a granel, utilizando los mismos datos de polarización de tamaño pequeño, se puede establecer su identidad química exacta.

Otro descubrimiento sorprendente informado en el documento es que los grupos de todos los elementos metálicos evolucionan al estado metálico a granel de una manera universal. medido por una característica basada en la polarización que Jellinek y Jackson llaman "grado de metalicidad". Dijo Jellinek:"Introdujimos una nueva constante universal y nuevas ecuaciones de escala universales en la física de los metales".

Las nuevas ecuaciones de escala hacen que sea fácil y directo para los científicos determinar la polarizabilidad de cualquier grupo de tamaño de cualquier elemento metálico en base a la correspondiente polarizabilidad masiva del elemento. En el pasado, esto habría requerido cálculos largos y costosos para cada caso individual. "¿Qué habría tardado días, semanas o incluso meses para cubrir un rango de tamaños ahora toma una fracción de segundo usando estas ecuaciones universales, "Dijo Jellinek.

Quizás lo más significativo, el estudio representa un paso importante en la construcción de las bases de la ciencia de los materiales a nanoescala; hace una contribución fundamental a la comprensión de la evolución del tamaño hacia el estado metálico a granel. (Jellinek dijo que el estudio incluye una disposición para posibles excepciones, lo que él llama "metales exóticos", en caso de que se encuentren en el futuro).

Para Jellinek personalmente, después de más de 31 años en Argonne y de haber asumido recientemente un puesto emérito, el descubrimiento fue particularmente satisfactorio y sorprendente, porque originalmente él y Jackson esperaban encontrar algo más.

"Al principio esperábamos establecer puntos en común a menor escala dentro de diferentes grupos de elementos metálicos, y nos decepcionó que los resultados no cumplieran con esa expectativa, ", dijo." Pero luego vimos que los diferentes grupos se estaban comportando de manera universal. En la ciencia, cuando algo emerge de manera diferente a lo que esperabas que a menudo resulta ser nuevo e interesante. Sin embargo, es muy raro descubrir algo que sea universal ".

Jellinek calificó el resultado como una de las mejores cosas que ha hecho en su larga y distinguida carrera, y agrega:"Por eso es divertido ser científico. Cuando obtienes algo fundamental y realmente nuevo, es una recompensa que nada más puede reemplazar. La siguiente tarea es intentar descubrir posibles puntos en común, tal vez incluso la universalidad, en evolución de tamaño al estado general para elementos que no son metales ".