Investigadores de varias universidades han descubierto cristales exóticos compuestos por objetos rotativos, que presentan propiedades inusuales y pueden fragmentarse y reensamblarse. Su estudio se publica en PNAS.
Investigación sobre cristales rotativos: un hallazgo sorprendente
Un grupo de físicos de las universidades de Aquisgrán, Düsseldorf, Mainz y Wayne State en Detroit, ha llevado a cabo un estudio innovador sobre unos objetos que, aunque puedan parecer extraños, realmente existen: los cristales formados por objetos en rotación. Estos cristales presentan propiedades inusuales, como la capacidad de fragmentarse fácilmente en partes individuales y mostrar límites de grano peculiares. Además, los defectos presentes en estos cristales pueden ser controlados intencionadamente.
El hallazgo fue publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), donde los investigadores describen cómo se pueden predecir varias nuevas propiedades de estos sistemas denominados “interacción transversal” mediante un modelo teórico integral.
Las "fuerzas transversales" se pueden observar en sistemas sintéticos, como ciertos sólidos magnéticos, así como en organismos vivos. Por ejemplo, un experimento realizado en el MIT con embriones de estrellas de mar mostró que estos influyen entre sí a través de sus movimientos natatorios, provocando que roten alrededor unos de otros. Sin embargo, aún no se comprende completamente la función biológica detrás de este comportamiento.
El profesor Hartmut Löwen, del Instituto de Física Teórica II en la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf (HHU), explica que “un sistema compuesto por muchos elementos rotativos exhibe un comportamiento cualitativamente nuevo y no intuitivo: a altas concentraciones, estos objetos forman un cuerpo sólido de rotores con propiedades materiales ‘extrañas’”.
Una propiedad destacada es la “elasticidad extraña”: mientras que un material convencional se deforma en la dirección de la fuerza aplicada al estirarlo, un material con elasticidad extraña no se deforma; más bien, gira. Este tipo de sólido retorcido puede desintegrarse espontáneamente en múltiples cristalitos rotativos si sus bloques constitutivos chocan con suficiente fuerza para formar fragmentos. Curiosamente, además de romperse, el cristal tiene la capacidad de reensamblarse.
Un equipo liderado por el profesor Zhi-Feng Huang, del Departamento de Física y Astronomía en Wayne State University, junto con el profesor Löwen como autor correspondiente, ha desarrollado una teoría a escala cruzada para estos cristales extraños. Utilizando esta teoría, los investigadores realizaron cálculos modelo que proporcionaron nuevos conocimientos sobre posibles aplicaciones para estos sólidos inusuales.
Se observó que los grandes cristales con interacción transversal tienden a descomponerse intrínsecamente en pequeñas unidades cristalinas rotativas. En contraste, los cristales más pequeños crecen hasta alcanzar un tamaño crítico. Este comportamiento es opuesto al crecimiento normal de los cristales, donde estos aumentan su tamaño bajo condiciones termodinámicas favorables.
El profesor Huang señala: “Hemos descubierto una propiedad fundamental de la naturaleza que subyace a este proceso y determina la relación entre el tamaño de los fragmentos críticos y su velocidad de rotación”. El coautor del estudio, el profesor Raphael Wittkowski, del DWI – Instituto Leibniz para Materiales Interactivos y RWTH Aquisgrán, añade que también demostraron cómo los defectos dentro de los cristales tienen su propia dinámica. La formación de dichos defectos puede ser influenciada externamente, permitiendo controlar específicamente las propiedades del cristal para aplicaciones prácticas.
"Nuestra teoría abarca todos los sistemas que evidencian tales interacciones transversales. Las aplicaciones concebibles van desde la investigación coloidal hasta la biología", afirma el coautor Dr. Michael te Vrugt, profesor asistente en la Universidad de Mainz.
Löwen concluye: “Los cálculos modelo indican un potencial aplicativo concreto. Las novedosas propiedades elásticas de estos nuevos cristales podrían ser aprovechadas para inventar nuevos elementos técnicos con capacidad para cambiar estados”.