Físicos consiguen crear cristales coloidales en forma de emoticonos

C. E. Cash et al./ Physical Review Letters, 2018

Físicos estadounidenses han propuesto una nueva técnica para controlar la forma y el tamaño de las regiones ordenadas en los cristales coloidales, basándose en la fusión local del láser. Con ayuda de este método se puede obtener los cristales de una forma determinada -en forma de un corazón o una sonrisa, por ejemplo- en películas coloidales bidimensionales, escriben los científicos en Physical Review Letters.

Como regla general, un material cristalino sólido no es un monocristal en el que todos los átomos forman una red cristalina única, sino un conjunto de un gran número de pequeñas regiones cristalinas: cristalitos o granos, separados por los bordes de grano. Dentro de cada una de estas regiones hay una estructura cristalina ordenada, pero el orden cristalino de las dos regiones no se relacionan entre sí. El tamaño y la forma de los cristalitos afectan las propiedades del material, pero generalmente solo se puede controlar su tamaño promedio, sin controlar la forma de los granos individuales. Cabe señalar que tales estructuras son características no solo de cristales compuestos de átomos, sino también de otros sistemas ordenados, por ejemplo, cristales coloidales, que consisten de partículas coloidales monodispersas.

Para confirmar experimentalmente el método propuesto, los científicos utilizaron un cristal coloidal de partículas esféricas de óxido de silicio de un tamaño de 1,2 micras. Estas partículas se sumergieron en dimetilsulfóxido y formaron conjuntos planos ordenados de una esfera de espesor. Debido a que el coeficiente de refracción del disolvente y del óxido de silicio son diferentes, se puede aplicar una fuerza externa a las partículas por medio de pinzas ópticas y así llevarlas al movimiento incluso dentro de una estructura cristalina densa. En este trabajo, los físicos utilizaron un rayo láser con una longitud de onda de 1.064 nanómetros y una potencia de 800 milivatios.

Irradiación de un cristal coloidal bidimensional por un rayo láser, en el cual el cristal se funde primero y luego se cristaliza. En la fila inferior, el color indica la amplitud de las fluctuaciones de la distancia entre las partículas coloidales. La escala corresponde a 5 micras. /C. E. Cash et al. / Physical Review Letters, 2018

Durante la irradiación del cristal coloidal, el rayo láser empuja las partículas lejos unas de otras y conduce a una fusión local del cristal. Tras la finalización de la irradiación, el sistema se recristaliza y recupera una estructura ordenada. Por lo tanto, si no se produce la radiación en medio de la región de cristalinidad, sino cerca del límite del grano de cristal, entonces, debido a la fusión local con la posterior recristalización se puede mover esta frontera por el cristal, cambiando así el tamaño y la forma del grano. Con ayuda del método propuesto, los físicos obtuvieron cristalitos en forma de C, corazón, cabeza de gato y sonrisa.

Para cuantificar este efecto, los científicos utilizaron un modelo de mecánica estadística, que describe las fluctuaciones de las distancias entre las partículas durante la fusión del láser y la restauración de la estructura. El modelo propuesto describió los datos experimentales con bastante precisión y permitió predecir el comportamiento de las partículas durante la recristalización.

 

Cristales coloidales con cristalitos de diversas formas, obtenidos con la ayuda de la fusión láser local. /C. E. Cash et al. / Physical Review Letters, 2018

Los físicos señalan que se pueden observar procesos similares en cristales coloidales tridimensionales, pero son mucho más difíciles de estudiar debido a la compleja estructura espacial. Debido a que el método de control de la forma de los cristalitos propuesto por ellos se basa únicamente en la mecánica estadística fundamental, se puede utilizar para estudiar los mecanismos de movimiento y la interacción de defectos, tanto en cristales coloidales como atómicos. La naturaleza de los defectos que se estudian puede variar considerablemente.

Alexánder Dubov

Texto traducido por María Cervantes

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