En un trabajo que cambia el diseño de materiales, Los investigadores han demostrado con simulaciones por computadora que pueden diseñar un cristal y trabajar hacia atrás a la forma de la partícula que se autoensamblará para crearlo.

Podría conducir a una nueva clase de materiales, como los revestimientos de cristal que producen colores que nunca se desvanecen.

"Estos resultados cambian el diseño de materiales y nuestra comprensión de la entropía en sus cabezas, "dijo Sharon Glotzer, el Director del Departamento de Ingeniería Química Anthony C. Lembke de la Universidad de Michigan y autor principal del artículo en Avances de la ciencia .

Los materiales con propiedades verdaderamente nuevas suelen tener que descubrirse por accidente. Por ejemplo, Fue necesario un divertido experimento con cinta de celofán y un trozo de grafito para descubrir el grafeno en 2004, ahora un material maravilloso ganador del Nobel por su combinación de fuerza, flexibilidad, transparencia y conductividad.

En lugar de esperar la serendipia, A los científicos de materiales les gustaría soñar con un material maravilloso y luego descubrir cómo hacerlo. Es este enfoque "inverso" para diseñar materiales (trabajar hacia atrás desde las propiedades deseadas) lo que el equipo llama "alquimia digital".

"Realmente nos permite centrarnos en el resultado y aprovechar lo que sabemos para encontrar un punto de partida para crear ese material, "dijo Greg van Anders, autor correspondiente del artículo y profesor asistente de física en la Queen's University en Kingston, Ontario. La investigación se realizó mientras estaba en la U-M anteriormente.

Glotzer es líder en el estudio de cómo las nanopartículas se autoensamblan a través del sorprendente mecanismo de la entropía. Si bien la entropía se considera comúnmente una medida de desorden, El equipo de Glotzer lo aprovecha para crear cristales ordenados a partir de partículas. Pueden hacer esto porque la entropía no es realmente un desorden, sino más bien, es una medida de cuán libre es el sistema. Si las partículas tuvieran mucho espacio, se distribuirían a través de él y se orientarían aleatoriamente:la colección de partículas tiene la mayor libertad cuando las partículas individuales tienen la mayor libertad.

Pero en los sistemas en los que se centra Glotzer, las partículas no tienen mucho espacio. Si están orientados al azar, la mayoría de ellos quedarán atrapados. El sistema de partículas es más libre si las partículas se organizan en una estructura cristalina. La física exige esto, y las partículas obedecen.

Dependiendo de las formas de las partículas, El equipo de Glotzer y otros han demostrado cómo se pueden obtener una variedad de cristales interesantes, algunos similares a los cristales de sal o las redes atómicas de los metales. y algunos aparentemente nuevos (como "cuasicristales, "que no tienen un patrón repetido). En el pasado, lo han hecho de la forma habitual, eligiendo la forma de una partícula y simulando el cristal que formaría. Pasaron años descubriendo las reglas de diseño que permiten que partículas de ciertas formas construyan ciertos cristales.

Ahora, lo han cambiado para poder conectar una estructura de cristal en su nuevo programa, y les da una forma de partícula que lo construirá. Reformulando la pregunta de "¿Qué cristal hará esta forma?" a "¿Esta forma hará mi cristal?", el equipo exploró más de 100 millones de formas diferentes en el estudio.

"En un solo día, en una computadora normal, pudimos estudiar más tipos de partículas diferentes de las que se han informado en la última década, "dijo van Anders.

Utilizaron el software para identificar formas de partículas para construir cuatro celosías de cristal comunes (cúbica simple, cúbico centrado en el cuerpo, cúbico centrado en la cara y diamante) y dos celosías más complejas (beta-manganeso y beta-tungsteno). Cuando esto funcionó, probaron una celosía que no se conoce en la naturaleza, uno de su propio diseño, una variación del cristal conocido como "empaque cerrado hexagonal".

El equipo anticipa que los nanocientíficos experimentales podrán hacer estos cristales produciendo un lote de partículas en la forma correcta y agregándolas a un fluido. En el fluido las nanopartículas se ensamblarán solas. Mientras permanezcan confinados, mantendrán su estructura.

Esto podría conducir a avances en el color estructural creado por el hombre, similar a cómo las alas de las mariposas producen sus tonos brillantes a través de interacciones con la luz. A diferencia de los pigmentos, el color estructural no se desvanece. El color también podría encenderse y apagarse con un mecanismo para confinar las partículas para que formen el cristal o darles espacio para que el cristal se deshaga.

Esta investigación se informa en Avances de la ciencia en un artículo titulado "Ingeniería de entropía para el diseño inverso de cristales coloidales a partir de formas duras".