Hace tres años, cuando Richard Robinson, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales, estaba de año sabático en la Universidad Hebrea de Israel, le pidió a un estudiante de posgrado que le enviara unas nanopartículas de un tamaño específico.

"Cuando llegaron a mí, Los medí con el espectrómetro y dije:'Esperar, me enviaste las partículas más pequeñas en lugar de las más grandes. Y él dijo, 'No, Te envié los más grandes, '"recuerda Robinson, de su conversación con su asesor Curtis Williamson, estudiante de doctorado en ingeniería química y biomolecular. "Nos dimos cuenta de que debían haber cambiado mientras estaban en vuelo. Y eso desató una cascada de preguntas y experimentos que nos llevaron a este nuevo hallazgo".

Dedujeron que las partículas se habían transformado durante su viaje de Ítaca a Jerusalén. Esta comprensión condujo al descubrimiento de la isomerización inorgánica, en el que los materiales inorgánicos pueden cambiar entre estados discretos casi instantáneamente, más rápido que la velocidad del sonido. El hallazgo cierra la brecha entre lo que se conoce sobre los cambios de fase en las moléculas orgánicas, como los que hacen posible la vista, y en materiales a granel, como la transición del grafito en diamantes.

Su hallazgo fue sorprendente porque implicaba que los materiales inorgánicos podían transformarse como moléculas orgánicas, dijo Robinson, coautor del artículo, "Isomerización químicamente reversible de clústeres inorgánicos, "que se publicó el 15 de febrero en Ciencias .

"Descubrimos que si encoge el material inorgánico lo suficientemente pequeño, puede saltar fácilmente de un lado a otro entre dos fases discretas, iniciado por pequeñas cantidades de alcohol o humedad en la superficie, ", Dijo Robinson." En el vuelo debe haber habido humedad en el compartimiento de carga, y las muestras cambiaron de fase ".

Williamson es el primer autor del artículo. Los autores principales son Robinson; Tobias Hanrath, profesor asociado de la Escuela Smith de Ingeniería Química y Biomolecular; y Uri Banin, profesor de química en la Universidad Hebrea. Douglas Nevers, Doctor. '18, Andrew Nelson, estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales, e Ido Hadar de la Universidad Hebrea también contribuyeron.

"Establecimos un puente entre los dos mundos entre grandes materiales que cambian más lentamente, y pequeña, materiales orgánicos que pueden moverse de un lado a otro de manera coherente, entre dos estados, ", Dijo Robinson." Es sorprendente que vimos una transformación instantánea de un estado a otro en un material inorgánico, y es sorprendente que se inicie con una simple reacción superficial ".

Isomerización:la transformación de una molécula en otra molécula con los mismos átomos, solo en un arreglo diferente - es de naturaleza común. A menudo es provocado por la adición de energía, como cuando la luz hace que una molécula en la retina cambie, habilitación de la visión; o como el aceite de oliva, cuando se calienta demasiado, se isomeriza en la forma malsana conocida como grasas trans. Los materiales a granel como el grafito también pueden cambiar de fase, pero requieren mucha más energía que a nivel molecular y el cambio se produce de forma más gradual, con el cambio extendiéndose a través de la sustancia en lugar de una transformación instantánea.

En el pasado, Se descubrió que las nanopartículas más grandes cambian de fase de una manera más cercana a cómo cambian los materiales a granel que a las moléculas. Pero cuando el equipo de Cornell observó grupos de átomos aún más pequeños en la fuente de sincrotrón de alta energía de Cornell (CHESS), observaron el cambio rápido entre estados discretos por primera vez.

"Ahora finalmente vemos que hay un nuevo régimen en el que se puede cambiar de manera coherente de un estado a otro instantáneamente, "Hanrath dijo." Si los haces lo suficientemente pequeños, los materiales inorgánicos pueden moverse hacia adelante y hacia atrás con mucha facilidad. Es una revelación ".

Robinson dijo que los investigadores no hubieran podido determinar con precisión las posiciones de los átomos sin CHESS, donde realizaron experimentos de dispersión total en los que examinaron todas las dispersiones de rayos X del cúmulo, permitiéndoles identificar la ubicación de los átomos.

También fueron ayudados por una nueva técnica que desarrollaron para crear cúmulos de tamaño mágico, llamados así porque tienen el número "perfecto" de átomos y no se pueden agregar más átomos individuales. haciéndolos extremadamente estables.

"Pudimos crear un cúmulo de tamaño mágico muy puro, "Robinson dijo." Por eso, cuando reacciona con el alcohol o el agua se ve una transformación muy pura "de un estado discreto a otro.

Aunque se necesita más investigación, Las posibles aplicaciones futuras incluyen el uso de estas partículas como interruptores en la informática o como sensores, Dijo Robinson. El descubrimiento también podría tener usos relacionados con la computación cuántica o como semilla para la generación de nanopartículas más grandes.