Los científicos de la Universidad de Lehigh, en colaboración con el laboratorio nacional Lawrence Berkeley, han demostrado la fabricación de lo que ellos llaman una nueva clase de sólido cristalino mediante el uso de un láser, una técnica que induce átomos a organizarse en un enrejado de rotación sin afectar a la forma macroscópica del sólido de la calefacción.
Esta imagen muestra los resultados de exploración radiografía de microdiffraction (μSXRD) con una resolución espacial de submicron. Lauediffraction (a) de un ilimitado Sb2S3 monocristal (arriba) y cristal fabricado con láser RLS Sb2S3 (abajo). Imágenes ampliadas (b) de reflexión seleccionado (852) extraen de patrones de Laue (una, abajo) obtenidos por diferentes puntos del cristal RLS (c). Crédito: D. Savytskii, H. Jain, N. Tamura y V. Dierolf
Mediante el control de la rotación del enrejado cristalino, los científicos dicen que serán capaces de hacer un nuevo tipo de monocristales sintéticos y materiales ""bio-inspirados que imitan la estructura de biominerales especiales y sus superiores propiedades electrónicas y ópticas.
El grupo divulgó sus conclusions ayer (3 de noviembre) en Scientific Reports, una revista de naturaleza, en un artículo titulado "Rotación enrejada de arquitectura de cristal sobre la superficie del vidrio". Autor del libro es Dmytro Savytskii, investigador en el Departamento de ciencia de materiales e ingeniería en Lehigh.
Los otros autores son Volkmar Dierolf, distinguido profesor y director del Departamento de física en Lehigh; Himanshu Jain, el T.L. Diamond Chair distinguido en ingeniería y ciencia aplicada y profesor de ciencia de materiales e ingeniería en Lehigh; y Nobumichi Tamura del laboratorio nacional Lawrence Berkeley en Berkeley, California.
El desarrollo de las rotación enrejada (RLS) de monocristales sigue un descubrimiento informado en marzo en Scientific Reports en los que el grupo de Lehigh mostró por primera vez que un solo cristal puede cultivarse de vidrio sin la fusión del vidrio.
En un sólido cristalino típico, los átomos se arreglan en un enrejado, repitiendo con regularidad o estructura tridimensional periódica. Visto desde cualquier ángulo, de izquierda a derecha, arriba y abajo, frente a la parte posterior, una periodicidad específica de cristal se hace evidente. El vidrio, por el contrario, es un material amorfo con una estructura atómica desordenada.
Porque no tienen límites de grano entre los cristales de interconexión, los materiales sencillos de cristal a menudo poseen excepcionales propiedades mecánicas, ópticas y eléctricas. Los cristales sencillos le dan a los diamantes su brillo y las láminas de turbina del jet su resistencia a fuerzas mecánicas. Y el único cristal de silicio de la que se hace un chip de silicio da una superior realización de propiedades que constituyen la base para la microelectrónica.
La periodicidad o repetición de patrón, en un rotación de un cristal sencillo enrejado, dijo Jain y Dierolf, difiere de la periodicidad en un monocristal típico.
"Hemos encontrado que cuando cultivamos un cristal de vidrio,", dijo Jain, "la periodicidad no lleva alguna manera. En una dirección, se ve perfecto, pero si desactivas el enrejado y lo miras desde un ángulo diferente, ves que toda la estructura está girando".
"En un material típico de cristal solo," dijo Dierolf, "una vez que se averigua cómo el patrón se repite, entonces, si sé la ubicación precisa de un átomo, yo puedo predecir la ubicación precisa de cada átomo. Esto es posible sólo porque los cristales solos poseen orden de largo alcance.
Sin embargo, "cuando crecemos un cristal RLS de vidrio, hemos encontrado que la periodicidad no resulta de alguna manera. Para predecir la ubicación de cada átomo, tengo que saber no sólo la ubicación precisa de un átomo en particular pero el ángulo de rotación del enrejado así.
"Por lo tanto, tenemos que modificar ligeramente la definición de libro de texto de cristales sencillos."
La rotación, dijo Jain, ocurre en la escala atómica y no afecta a la forma del material de vidrio. "Sólo la cadena de curvas de átomos, no todo el material. Podemos ver la flexión del enrejado cristalino con difracción de rayos x."
Para lograr esta rotación, los investigadores calientan una porción muy pequeña de la superficie de un material de vidrio con un láser, que hace que los átomos sean más flexibles.
"Los átomos quieren arreglar una línea recta pero el vidrio circundante no permite esto," dijo Jain. "En cambio, el vidrio, siendo completamente sólido, las fuerzas de la configuración de los átomos a la curva. Los átomos se moverán y tratan de organizar en un enrejado cristalino, idealmente en un monocristal perfecto, pero no pueden porque el vidrio impide que el cristal perfecto de formación y las fuerzas de los átomos se arreglen en un enrejado de la rotación. La belleza es que la rotación se produce sin problemas en la escala del micrómetro.
"Nuestro láser impone un grado de asimetría en el crecimiento del cristal. El control de la asimetría de la fuente de calor para imponer este patrón de rotación de los átomos."
La capacidad del grupo para controlar la cantidad de calefacción es fundamental para la formación del entramado giratorio, dijo Jain.
"La clave para la creación del enrejado atómico giratorio es que ocurre sin la fusión del vidrio. La fusión permite demasiada libertad de movimiento atómico, que hace que sea imposible controlar la organización del entramado.
"Nuestra sutil manera de calentar el vidrio supera esto. Calentamos sólo la superficie del vidrio, no dentro. Esto es muy preciso, mucha calefacción localizada. Hace sólo un limitado movimiento de los átomos, y nos permite controlar cómo se curva el enrejado atómico."
Los enrejados de rotación se han observado en algunos biominerales en el océano, dijo Jain y Dierolf y también se pueden presentar en muy pequeña escala en algunos minerales naturales como spherulites.
"Pero nadie previamente había hecho esto a una escala mayor en forma controlada, lo que hemos logrado con la imposición asimétrica de láser para causar el entramado giratorio," dijo Jain.
"Los científicos no fueron capaces de entender este fenómeno antes porque no se pudo observar en una escala lo suficientemente grande. Somos el primer grupo para inducer que esto suceda en una dimensión con eficacia ilimitada con un láser."
Jain y Dierolf y su grupo están planeando más estudios para mejorar su capacidad para manipular el orden de los átomos.
Los investigadores realizaron el laser de la calefacción del vidrio en Lehigh y que caracteriza el vidrio con micro difracción de rayos x de sincrotrón en el laboratorio nacional Lawrence Berkeley. Planean realizar más caracterización en Berkeley y con microscopía electrónica de Lehigh.
El proyecto ha sido financiado durante seis años por el Departamento de energía de Estados Unidos.
"Esta es una forma novedosa de hacer cristales sencillos," dijo Dierolf. "Abre un nuevo campo mediante la creación de un material con propiedades únicas, la novela".
Esta imagen muestra los resultados de exploración radiografía de microdiffraction (μSXRD) con una resolución espacial de submicron. Lauediffraction (a) de un ilimitado Sb2S3 monocristal (arriba) y cristal fabricado con láser RLS Sb2S3 (abajo). Imágenes ampliadas (b) de reflexión seleccionado (852) extraen de patrones de Laue (una, abajo) obtenidos por diferentes puntos del cristal RLS (c). Crédito: D. Savytskii, H. Jain, N. Tamura y V. Dierolf
Mediante el control de la rotación del enrejado cristalino, los científicos dicen que serán capaces de hacer un nuevo tipo de monocristales sintéticos y materiales ""bio-inspirados que imitan la estructura de biominerales especiales y sus superiores propiedades electrónicas y ópticas.
El grupo divulgó sus conclusions ayer (3 de noviembre) en Scientific Reports, una revista de naturaleza, en un artículo titulado "Rotación enrejada de arquitectura de cristal sobre la superficie del vidrio". Autor del libro es Dmytro Savytskii, investigador en el Departamento de ciencia de materiales e ingeniería en Lehigh.
Los otros autores son Volkmar Dierolf, distinguido profesor y director del Departamento de física en Lehigh; Himanshu Jain, el T.L. Diamond Chair distinguido en ingeniería y ciencia aplicada y profesor de ciencia de materiales e ingeniería en Lehigh; y Nobumichi Tamura del laboratorio nacional Lawrence Berkeley en Berkeley, California.
El desarrollo de las rotación enrejada (RLS) de monocristales sigue un descubrimiento informado en marzo en Scientific Reports en los que el grupo de Lehigh mostró por primera vez que un solo cristal puede cultivarse de vidrio sin la fusión del vidrio.
En un sólido cristalino típico, los átomos se arreglan en un enrejado, repitiendo con regularidad o estructura tridimensional periódica. Visto desde cualquier ángulo, de izquierda a derecha, arriba y abajo, frente a la parte posterior, una periodicidad específica de cristal se hace evidente. El vidrio, por el contrario, es un material amorfo con una estructura atómica desordenada.
Porque no tienen límites de grano entre los cristales de interconexión, los materiales sencillos de cristal a menudo poseen excepcionales propiedades mecánicas, ópticas y eléctricas. Los cristales sencillos le dan a los diamantes su brillo y las láminas de turbina del jet su resistencia a fuerzas mecánicas. Y el único cristal de silicio de la que se hace un chip de silicio da una superior realización de propiedades que constituyen la base para la microelectrónica.
La periodicidad o repetición de patrón, en un rotación de un cristal sencillo enrejado, dijo Jain y Dierolf, difiere de la periodicidad en un monocristal típico.
"Hemos encontrado que cuando cultivamos un cristal de vidrio,", dijo Jain, "la periodicidad no lleva alguna manera. En una dirección, se ve perfecto, pero si desactivas el enrejado y lo miras desde un ángulo diferente, ves que toda la estructura está girando".
"En un material típico de cristal solo," dijo Dierolf, "una vez que se averigua cómo el patrón se repite, entonces, si sé la ubicación precisa de un átomo, yo puedo predecir la ubicación precisa de cada átomo. Esto es posible sólo porque los cristales solos poseen orden de largo alcance.
Sin embargo, "cuando crecemos un cristal RLS de vidrio, hemos encontrado que la periodicidad no resulta de alguna manera. Para predecir la ubicación de cada átomo, tengo que saber no sólo la ubicación precisa de un átomo en particular pero el ángulo de rotación del enrejado así.
"Por lo tanto, tenemos que modificar ligeramente la definición de libro de texto de cristales sencillos."
La rotación, dijo Jain, ocurre en la escala atómica y no afecta a la forma del material de vidrio. "Sólo la cadena de curvas de átomos, no todo el material. Podemos ver la flexión del enrejado cristalino con difracción de rayos x."
Para lograr esta rotación, los investigadores calientan una porción muy pequeña de la superficie de un material de vidrio con un láser, que hace que los átomos sean más flexibles.
"Los átomos quieren arreglar una línea recta pero el vidrio circundante no permite esto," dijo Jain. "En cambio, el vidrio, siendo completamente sólido, las fuerzas de la configuración de los átomos a la curva. Los átomos se moverán y tratan de organizar en un enrejado cristalino, idealmente en un monocristal perfecto, pero no pueden porque el vidrio impide que el cristal perfecto de formación y las fuerzas de los átomos se arreglen en un enrejado de la rotación. La belleza es que la rotación se produce sin problemas en la escala del micrómetro.
"Nuestro láser impone un grado de asimetría en el crecimiento del cristal. El control de la asimetría de la fuente de calor para imponer este patrón de rotación de los átomos."
La capacidad del grupo para controlar la cantidad de calefacción es fundamental para la formación del entramado giratorio, dijo Jain.
"La clave para la creación del enrejado atómico giratorio es que ocurre sin la fusión del vidrio. La fusión permite demasiada libertad de movimiento atómico, que hace que sea imposible controlar la organización del entramado.
"Nuestra sutil manera de calentar el vidrio supera esto. Calentamos sólo la superficie del vidrio, no dentro. Esto es muy preciso, mucha calefacción localizada. Hace sólo un limitado movimiento de los átomos, y nos permite controlar cómo se curva el enrejado atómico."
Los enrejados de rotación se han observado en algunos biominerales en el océano, dijo Jain y Dierolf y también se pueden presentar en muy pequeña escala en algunos minerales naturales como spherulites.
"Pero nadie previamente había hecho esto a una escala mayor en forma controlada, lo que hemos logrado con la imposición asimétrica de láser para causar el entramado giratorio," dijo Jain.
"Los científicos no fueron capaces de entender este fenómeno antes porque no se pudo observar en una escala lo suficientemente grande. Somos el primer grupo para inducer que esto suceda en una dimensión con eficacia ilimitada con un láser."
Jain y Dierolf y su grupo están planeando más estudios para mejorar su capacidad para manipular el orden de los átomos.
Los investigadores realizaron el laser de la calefacción del vidrio en Lehigh y que caracteriza el vidrio con micro difracción de rayos x de sincrotrón en el laboratorio nacional Lawrence Berkeley. Planean realizar más caracterización en Berkeley y con microscopía electrónica de Lehigh.
El proyecto ha sido financiado durante seis años por el Departamento de energía de Estados Unidos.
"Esta es una forma novedosa de hacer cristales sencillos," dijo Dierolf. "Abre un nuevo campo mediante la creación de un material con propiedades únicas, la novela".
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