Transiciones diarias de un estado de la materia a otro, como congelación, fusión o evaporación:comience con un proceso llamado "nucleación, "en el que pequeños grupos de átomos o moléculas (llamados" núcleos ") comienzan a fusionarse. La nucleación juega un papel fundamental en circunstancias tan diversas como la formación de nubes y la aparición de enfermedades neurodegenerativas.

Un equipo liderado por UCLA ha obtenido una visión nunca antes vista de la nucleación, capturando cómo los átomos se reordenan a una resolución atómica 4-D (es decir, en tres dimensiones del espacio y en el tiempo). Los resultados, publicado en la revista Naturaleza , difieren de las predicciones basadas en la teoría clásica de la nucleación que ha aparecido durante mucho tiempo en los libros de texto.

"Este es realmente un experimento innovador:no solo localizamos e identificamos átomos individuales con alta precisión, pero también monitorea su movimiento en 4-D por primera vez, "dijo el autor principal Jianwei" John "Miao, un profesor de física y astronomía de UCLA, quien es el subdirector del Centro de Ciencia y Tecnología de la Fundación Nacional de Ciencias STROBE y miembro del Instituto de NanoSistemas de California en UCLA.

Investigación del equipo, que incluye colaboradores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, Universidad de Colorado en Boulder, Universidad de Buffalo y la Universidad de Nevada, Reno, se basa en una poderosa técnica de imágenes desarrollada previamente por el grupo de investigación de Miao. Ese método, llamada "tomografía electrónica atómica, "utiliza un microscopio electrónico de última generación ubicado en la fundición molecular de Berkeley Lab, que imagina una muestra usando electrones. La muestra se gira, y de la misma manera que una tomografía computarizada genera una radiografía tridimensional del cuerpo humano, La tomografía de electrones atómicos crea impresionantes imágenes tridimensionales de átomos dentro de un material.

Miao y sus colegas examinaron una aleación de hierro y platino formada en nanopartículas tan pequeñas que se necesitan más de 10, 000 colocados uno al lado del otro para abarcar el ancho de un cabello humano. Para investigar la nucleación, los científicos calentaron las nanopartículas a 520 grados Celsius, o 968 grados Fahrenheit, y tomó imágenes después de 9 minutos, 16 minutos y 26 minutos. A esa temperatura la aleación experimenta una transición entre dos fases sólidas diferentes.

Aunque la aleación se ve igual a simple vista en ambas fases, Una inspección más cercana muestra que los arreglos atómicos tridimensionales son diferentes entre sí. Después de calentar, la estructura cambia de un estado químico desordenado a uno más ordenado, con capas alternas de átomos de hierro y platino. El cambio en la aleación se puede comparar con la resolución de un cubo de Rubik:la fase desordenada tiene todos los colores mezclados al azar, mientras que la fase ordenada tiene todos los colores alineados.

En un minucioso proceso dirigido por los primeros coautores y los eruditos postdoctorales de UCLA Jihan Zhou y Yongsoo Yang, el equipo rastreó los mismos 33 núcleos, algunos tan pequeños como 13 átomos, dentro de una nanopartícula.

"La gente piensa que es difícil encontrar una aguja en un pajar, "Dijo Miao." ¿Qué tan difícil sería encontrar el mismo átomo en más de un billón de átomos en tres momentos diferentes? "

Los resultados fueron sorprendentes, ya que contradicen la teoría clásica de la nucleación. Esa teoría sostiene que los núcleos son perfectamente redondos. En el estudio, por el contrario, los núcleos formaban formas irregulares. La teoría también sugiere que los núcleos tienen un límite definido. En lugar de, los investigadores observaron que cada núcleo contenía un núcleo de átomos que había cambiado al nuevo, fase ordenada, pero que la disposición se volvió cada vez más confusa más cerca de la superficie del núcleo.

La teoría clásica de la nucleación también establece que una vez que un núcleo alcanza un tamaño específico, solo se hace más grande a partir de ahí. Pero el proceso parece ser mucho más complicado que eso:además de crecer, núcleos en el estudio encogidos, dividido y fusionado; algunos se disolvieron por completo.

"La nucleación es básicamente un problema sin resolver en muchos campos, "dijo el coautor Peter Ercius, un científico de planta en Molecular Foundry, una instalación de nanociencia que ofrece a los usuarios instrumentación y experiencia de vanguardia para la investigación colaborativa. "Una vez que puedas imaginar algo, puedes empezar a pensar en cómo controlarlo ".

Los hallazgos ofrecen evidencia directa de que la teoría clásica de la nucleación no describe con precisión los fenómenos a nivel atómico. Los descubrimientos sobre la nucleación pueden influir en la investigación en una amplia gama de áreas, incluida la física, química, ciencia de los Materiales, ciencia ambiental y neurociencia.

"Al capturar el movimiento atómico a lo largo del tiempo, este estudio abre nuevas vías para estudiar una amplia gama de material, fenómenos químicos y biológicos, "dijo Charles Ying, oficial del programa de la National Science Foundation, que supervisa la financiación del centro STROBE. "Este resultado transformador requirió avances revolucionarios en la experimentación, análisis y modelado de datos, un resultado que exigió la amplia experiencia de los investigadores del centro y sus colaboradores ".