Los hallazgos de un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Michigan sugieren que una clase de materiales que parecía que podrían revolucionar todo, desde las células solares hasta las bandejas, pero que cayeron en desgracia a principios de la década de 2000, podrían estar maduros para un resurgimiento comercial.

Publicado en Conexiones con la naturalezaEl estudio demuestra una forma de hacer cuasicristales mucho más grandes de lo que era posible anteriormente, sin los defectos que plagaron a los fabricantes anteriores y llevaron a la exclusión de los cuasicristales como curiosidad intelectual.

“Una de las razones por las que la industria ha renunciado a los cristales semicristalinos es que están plagados de defectos”, dijo Ashwin Shahani, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales e ingeniería química y uno de los autores del artículo. “Pero esperamos traer cristales semicristalinos de vuelta a la corriente principal. Y este trabajo sugiere que se puede hacer”.

Los cuasicristales, que tienen una estructura ordenada pero no los patrones repetidos de los cristales regulares, se pueden sintetizar con una variedad de propiedades atractivas. Pueden ser muy rígidos o muy resbaladizos. Pueden absorber el calor y la luz de formas inusuales y exhibir extrañas propiedades eléctricas, entre muchas otras posibilidades.

Pero los fabricantes que comercializaron por primera vez el material pronto descubrieron un problema: las pequeñas grietas entre los cristales. los límites de grano, que invita a la corrosión, haciendo que los cristales sean casi propensos a fallar. Desde entonces, se ha suspendido el desarrollo comercial de cuasicristales.

Pero los nuevos hallazgos del equipo de Shahani muestran que, bajo ciertas condiciones, los cuasicristales pequeños pueden colisionar y fusionarse, formando un cristal grande sin ninguno de los defectos en los límites de los granos que se encuentran en los grupos de cristales más pequeños. Shahani explica que este fenómeno fue una sorpresa durante un experimento diseñado para monitorear la composición de la materia.

“Los cristales parecen curarse por sí mismos después del impacto, transformando un tipo de defecto en otro que finalmente desaparece por completo”, dijo. “Es inusual, dado que los cuasicristales carecen de periodicidad”.

Los cristales comienzan como sólidos de tamaño milimétrico, en forma de lápiz, suspendidos en una mezcla fundida de aluminio, cobalto y níquel, que el equipo puede monitorear en tiempo real y en 3D mediante tomografía de rayos X. A medida que la mezcla se enfría, los pequeños cristales chocan entre sí y se fusionan, convirtiéndose eventualmente en un solo cuasicristal grande varias veces más grande que los cuasicristales constituyentes.

Después de observar el proceso en el Laboratorio Nacional Argonne, el equipo lo replicó virtualmente simulación por ordenador. Al ejecutar cada simulación en condiciones ligeramente diferentes, pudieron determinar las condiciones exactas en las que los cristales más pequeños se fusionarían en cristales más grandes. Descubrieron, por ejemplo, que los cristales pequeños, en forma de lápiz, deben enfrentarse entre sí dentro de un cierto rango de alineación para colisionar y fusionarse. La simulación se realizó en un laboratorio. Sharon Glotzer, El profesor de la Universidad John Werner fue distinguido en ingeniería y un autor similar en el artículo.

“Es emocionante que tanto los experimentos como las simulaciones sean capaces de observar los mismos fenómenos que ocurren en las mismas escalas de tiempo y longitud”, dijo Glotzer. “Las simulaciones pueden ver detalles del proceso de cristalización que los experimentos no pueden ver del todo, y viceversa, de modo que solo juntos podemos comprender completamente lo que está sucediendo”.

Si bien es probable que la comercialización de la tecnología esté a varios años de distancia, los datos de simulación podrían eventualmente resultar útiles en el desarrollo de un proceso para producir de manera eficiente grandes cuasicristales en cantidades a escala de producción. Shahani espera utilizar la sinterización, un proceso industrial bien conocido en el que los materiales se alimentan juntos utilizando calor y presión. Es un objetivo difícil de alcanzar, pero Shahani dice que el nuevo estudio abre una nueva vía para la investigación que algún día podría lograrlo.

Por ahora, Shahani y Glotzer están trabajando juntos para comprender más semicristal Defectos, incluida la forma en que se forman, se mueven y se desarrollan.

El título del artículo es “Formación de cuasicristal único tras la colisión de múltiples granos”. El equipo de investigación también incluye el Laboratorio Nacional Brookhaven.