jueves, 14 de julio de 2011

Primera observación directa de una transición cristalográfica a nivel atómico.

Si hablamos de cambio de fase nos suele venir a la mente el paso del agua líquida a vapor o la solidificación en forma de hielo de este mismo agua. ¿Te imaginas observar el cambio de fase a nivel atómico?¿Ver cómo se mueve cada átomo? Hacerlo con el agua líquida y la velocidad de las moléculas en este estado es muy complejo, pero existen otros cambios de estado, las cambios cristalográficos, que tienen lugar en sólidos, que son más fácilmente observables. En teoría hasta ahora.

Un equipo de investigadores liderado por Haimei Zheng, del Laboratorio Nacional Berkeley de los Estados Unidos, ha conseguido observar a nivel atómico y en tiempo real por primera vez la transformación estructural del sulfuro de cobre (I) (Cu2S) con microscopia electrónica de transmisión. Aparte del aspecto puramente de logro técnico que tiene esta investigación, este tipo de cambios estructurales son muy interesantes como posible base para los discos duros de próxima generación. Los resultados se publican en Science.

Los cambios de estado son producidos por un aumento o disminución de la energía del sistema. Así, cuando un cubito de hielo se funde es porque está recibiendo energía de su entorno. Los investigadores emplearon la energía aportada por el propio microscopio al hacer la medición para provocar el cambio estructural. Pero, ¿de qué cambio estructural hablamos?

Hay dos formas de Cu2S, una a baja temperatura con estructura monoclínica (llamada calcosina baja, en la imagen que abre esta entrada) que tiene una estructura compleja con 96 átomos de cobre en la celda unidad, y otra hexagonal que es estable por encima de 104ºC. En esta estructura hay 24 átomos de cobre cristalográficamente distintos y la estructura se aproxima a un hexágono con los átomos de azufre coordinados en un plano con tres cobres. En algunos textos (y en Wikipedia) esta estructura se clasifica como ortorrómbica debido a que se tomó inicialmente la celda unidad y su gemela como unidad. Esta estructura hexagonal es la denominada calcosina alta.

Si el párrafo anterior te quedó confuso, no te preocupes. Fíjate en la imagen de abajo. A la izquierda tienes la calcosina baja, a la derecha la calcosina alta.



Los investigadores sintetizaron nanobarras de sulfuro de cobre para poder observar la transición entre calcosina baja y alta. La teoría de los cambios de fase predice que el sistema fluctuará entre las estructuras en equilibrio antes de estabilizarse. Y eso fue lo que observaron los miembros del equipo de Zheng: los átomos fluctúan entre los dos estados antes de estabilizarse en la calcosina alta. Incrementando la potencia del haz de electrones del microscopio, pudieron observar que el proceso podía acelerarse.

Otra conclusión interesante es que las transformaciones directa (baja a alta) e inversa (alta a baja) ocurren de distinta manera. En la directa, la fase alta comienza en los bordes exteriores y va hacia el interior, como en el caso de las fusiones, pero en la inversa la fase baja nuclea en el centro de la nanobarra y crece a partir de ahí. También constataron que los defectos en el cristal afectan a la forma en que tienen lugar las transformaciones.

En este video, en el que no apreciaremos gran cosa, se pueden ver los átomos tal cual durante las fluctuaciones de la transición:

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En este otro, al anterior se le ha introducido una máscara, en verde calcosina baja, en rojo calcosina alta:


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Esta entrada es una participación de Experientia docet en la VI Edición del Carnaval de Química que organiza Divagaciones de una investigadora en apuros.

Referencia:

Zheng, H., Rivest, J., Miller, T., Sadtler, B., Lindenberg, A., Toney, M., Wang, L., Kisielowski, C., & Alivisatos, A. (2011). Observation of Transient Structural-Transformation Dynamics in a Cu2S Nanorod Science, 333 (6039), 206-209 DOI: 10.1126/science.1204713

1 comentario:

Ryu dijo...

Es hermoso ver esto! E inimaginables los avances que podría dar en el campo de la informática.

Muchas gracias por esta noticia!