image: Imagen de microscopía de efecto túnel de la red cuasicristalina diseñada mediante la coordinación de átomos de europio con compuestos de p-quarterfenileno-dicarbonitrilo view more
Credit: J. I. Urgel / TUM
A diferencia de los cristales clásicos y aunque presentan una estructura ordenada, los cuasicristales no están constituidos por unidades periódicas. La formación de los fascinantes mosaicos cuasicristalinos es un fenómeno pobremente entendido y de gran relevancia científica. En el marco de una colaboración internacional, investigadores de la Universidad Técnica de Múnich, la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong y el instituto de investigación español IMDEA Nanociencia introducen una nueva metodología que permite la producción de cuasicristales bidimensionales metal-orgánicos, abriendo el camino al desarrollo de nuevos y prometedores materiales.
El físico Daniel Shechtman anotó tres signos de interrogación en su cuaderno de laboratorio cuando observó los resultados de su último experimento aquel cercano día de 1982. Estaba contemplando absorto un patrón de difracción que se consideraba imposible en su día, un patrón que iba a revolucionar el mundo de la cristalografía. De acuerdo con la acepción científica del momento, los cristales siempre habían tenido periodicidad y, en particular, simetría traslacional.
Dichos cristales estaban formados por una unidad básica, llamada celda unidad, que se repetía de forma periódica en las direcciones espaciales, dando lugar al orden cristalino. Hasta aquel día. El patrón de difracción que observaba Shechtman exhibía orden, pero no simetría de traslación espacial. El primer cuasicristal había sido descubierto. A pesar de las críticas feroces por reputados colegas, Schechtman desarrolló sus nuevas teorías revolucionando la comprensión científica de los cristales y del estado sólido, recibiendo el Premio Nobel de Química en 2011.
Hasta el momento, tanto la física como la química responsables de la formación de estas fascinantes estructuras cuasicristalinas se mantienen en un halo de misterio atrayendo el interés de una gran comunidad científica.
Una nueva y potente metodología para la creación de cuasicristales
Recientemente, un grupo de científicos liderados por los profesores Wilhelm Auwärter y Johannes V. Barth de la Universidad Técnica de Múnich (TUM), el profesor Nian Lin de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) y el Dr. David Écija del instituto de investigación español IMDEA Nanociencia ha desarrollado una nueva metodología para la creación de cuasicristales bidimensionales que podría ayudar a comprender de manera disruptiva la formación de estos peculiares patrones cuasicristalinos.
El estudiante predoctoral José Ignacio Urgel (TUM) realizó las medidas pioneras en el marco de una beca de investigación en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST). "Ahora disponemos de una nueva serie de bloques de construcción que se pueden usar para ensamblar distintas estructuras cuasicristalinas", explica el físico de la TU Múnich. Esta diversidad nos permitirá estudiar cómo se forman los cuasicristales
Los investigadores tuvieron éxito en unir europio - un átomo metálico de la serie de los lantánidos- con compuestos orgánicos, dando lugar a la formación de un cuasicristal bidimensional, basado en interacciones metal-orgánicas, y con el potencial por explorar de extenderse incluso en la tercera dimensión, dando lugar a la formación de un cuasicristal tridimensional. Hasta el momento, se había conseguido crear numerosas estructuras periódicas e incluso altamente complejas mediante redes metal-orgánicas, pero nunca un cuasicristal.
Mediante el uso del microscopio de efecto túnel, que proporciona una resolución sin parangón, se ha sido capaz de racionalizar la nueva geometría de red, que consiste en un mosaico de triángulos y cuadrados que se distribuyen en el sustrato de forma no periódica, y cuyos lados están formados por las moléculas y en cuyos vértices se localizan los centros de europio. El resultado es un complejo patrón que presenta simetría dodecagonal y que se identifica con una teselación cuasicristalina.
Propiedades ópticas y magnéticas prometedoras.
En trabajos futuros, los investigadores planean variar las interacciones entre los centros metálicos y los ligandos orgánicos mediante el uso combinado de simulaciones por ordenador y experimentos con el fin de comprender bajo qué condiciones se forman dichos cristales bidimensionales, una estrategia que está llamada a facilitar el desarrollo de nuevas capas cuasicristalinas.
Este tipo de materiales cuasicristalinos presentan un gran potencial particularmente en óptica y en magnetismo. Hemos descubierdo un nuevo tipo de materiales en los que no sólo podemos investigar los orígenes de la cuasicristalinidad, sino también diseñar y explorar nuevas funcionalidades", comenta el Dr. Davíd Écija de IMDEA Nanociencia.
Los científicos podrán usar la novedosa metodología para crear capas cuasicristalinas que interaccionan con los fotones modificando su transmisión, mejorándola o filtrando sólo ciertas longitudes de onda.
Además, las interacciones entre los centros lantánidos en los nuevos materiales debido a su ordenamiento cuasicristalino podrían facilitar el desarrollo de sistemas magnéticos con propiedades singulares, los llamados sistemas frustrados, cuya peculiaridad radica en la existencia de estados fundamentales magnéticos exóticos con el potencial de almacenar información en los futuros ordenares cuánticos, llamados a revolucionar la electrónica y la informática del siglo XXI.
La investigación fue financiada por el European Research Council (Advanced Grant MolArt), el programa español Ramón y Cajal, la Comunidad de Madrid, el Hong Kong Research Grants Council, y el convenio de colaboración TUM-HKUST.
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Publication:
Jóse I. Urgel, David Écija, Ran Zhang, Carlos-Andres Palma, Willi Auwärter, Nian Lin and Johannes V. Barth: Quasicrystallinity expressed in two-dimensional coordination lattices, Nature Chemistry, 8, 657-662 (2016) DOI:10.1038/nchem.2507
Journal
Nature Chemistry