Físicos de la UCLA (Universidad de California en Los Ángeles) han liderado la captación de cómo los átomos se reorganizan a una resolución atómica 4-D: tres dimensiones del espacio y en el tiempo.

Los hallazgos, publicados en la revista Nature, difieren de las predicciones basadas en la teoría clásica de la nucleación que ha aparecido durante mucho tiempo en los libros de texto.

Las transiciones de un estado de la materia a otra, como la congelación, fusión o evaporación, comienzan con un proceso llamado nucleación, en el cual los pequeños grupos de átomos o moléculas (llamados «núcleos») comienzan a unirse. La nucleación desempeña un papel crítico en circunstancias tan diversas como la formación de nubes y la aparición de enfermedades neurodegenerativas.

«Este es verdaderamente un experimento innovador: no solo localizamos e identificamos átomos individuales con alta precisión, sino que también controlamos su movimiento en 4-D por primera vez», dijo en un comunicado el autor principal Jianwei ‘John’ Miao, miembro del Instituto de Nanosistemas de California en UCLA.

La investigación realizada se basa en una poderosa técnica de imagen desarrollada previamente por el grupo de investigación de Miao. Ese método, llamado «tomografía electrónica atómica», utiliza un microscopio electrónico de vanguardia ubicado en Molecular Foundry de Berkeley Lab, que incluye una muestra utilizando electrones. La muestra se rota, y de la misma manera en que una exploración CAT genera una radiografía tridimensional del cuerpo humano, la tomografía electrónica atómica crea impresionantes imágenes en 3D de átomos dentro de un material.

Miao y sus colegas examinaron una aleación de hierro-platino formada en nanopartículas tan pequeñas que se necesitan más de 10.000 tendidas una al lado de la otra para cubrir el ancho de un cabello humano. Para investigar la nucleación, los científicos calentaron las nanopartículas a 520 grados Celsius y tomaron 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 3D son diferentes entre sí. Después del calentamiento, la estructura cambia de un estado químico mezclado a uno más ordenado, con capas alternas de átomos de hierro y platino. El cambio en la aleación se puede comparar con la solución de un cubo de Rubik: la fase mezclada tiene todos los colores mezclados al azar, mientras que la fase ordenada tiene todos los colores alineados.

En un proceso minucioso, el equipo rastreó los mismos 33 núcleos, algunos tan pequeños como 13 átomos, dentro de una nanopartícula.

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 cambio, los investigadores observaron que cada núcleo contenía un núcleo de átomos que había cambiado a la nueva fase ordenada, pero que la disposición se hacía cada vez más y más cerca de la superficie del núcleo.

La teoría de la nucleación clásica también establece que una vez que un núcleo alcanza un tamaño específico, solo crece más desde allí. Pero el proceso parece ser mucho más complicado que eso: además del crecimiento, los núcleos en el estudio se contrajeron, dividieron y fusionaron; algunos se disolvieron completamente.

Los hallazgos ofrecen evidencia directa de que la teoría de la nucleación clásica 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, incluyendo la física, la química, la ciencia de los materiales, la ciencia ambiental y la neurociencia.

Fuente: EP