Científicos desarrollan un sistema de “visión de rayos X” para ver el interior de los cristales
Un grupo internacional de investigadores ha diseñado un novedoso método de visualización de cristales similar a la visión de rayos X de los superhéroes que permite asomarnos al interior de estructuras cristalinas como nunca antes se había logrado.
Por la Universidad de Nueva York
Una nueva técnica llamada “Crystal Clear” permite a los científicos ver cada partícula que conforman los cristales coloidales y crear modelos tridimensionales dinámicos. Cortesía: Shihao Zang / NYU
Un equipo de investigadores de la Universidad de Nueva York, en Estados Unidos, ha creado una nueva forma de visualizar cristales para observar el interior de sus estructuras que recuerda a la visión de rayos X de Supermán.
La nueva técnica, bautizada como Crystal Clear, combina el uso de partículas transparentes y microscopios con láseres que permiten a los científicos ver cada unidad que compone el cristal y crear a partir de ahí modelos tridimensionales dinámicos.
“Se trata de una potente plataforma para el estudio de los cristales— afirma Stefano Sacanna, catedrático de Química de la Universidad de Nueva York e investigador principal del estudio, que ha sido publicado en la revista Nature Materials. Y añade—: Antes, si se observaba un cristal coloidal a través de un microscopio, solo se podía tener una idea de su forma y de la estructura de la superficie. Pero ahora podemos ver el interior y conocer la posición de cada unidad en la estructura”.
La disposición de los átomos y los defectos atómicos es lo que crea diferentes materiales cristalinos, desde la sal de mesa hasta los diamantes.
Los cristales atómicos son materiales sólidos cuyos componentes básicos están dispuestos de forma repetida y ordenada. De vez en cuando, falta un átomo o está fuera de lugar, lo que da lugar a un defecto. La disposición de los átomos y los defectos es lo que crea diferentes materiales cristalinos, desde la sal de mesa hasta los diamantes, y les confiere sus propiedades.
Para estudiar los cristales, muchos científicos, incluido Sacanna, se fijan en cristales compuestos de esferas minúsculas llamadas partículas coloidales en lugar de átomos. Las partículas coloidales son diminutas —a menudo de alrededor de un micrómetro de diámetro, esto es, decenas de veces más pequeñas que un cabello humano—, pero son mucho más grandes que los átomos y, por lo tanto, más fáciles de ver con un microscopio.
Una estructura la mar de transparente.
En su trabajo para entender cómo se forman los cristales coloidales, los investigadores reconocieron la necesidad de ver el interior de estas estructuras. Dirigido por Shihao Zang, estudiante de doctorado en el laboratorio de Sacanna y primer autor del estudio, el equipo se propuso crear un método para visualizar los componentes básicos del interior de un cristal.
Primero desarrollaron partículas coloidales transparentes a las que añadieron moléculas de colorante para etiquetarlas y poder distinguirlas al microscopio por su fluorescencia.
Un microscopio por sí solo no permitiría a los investigadores ver el interior de un cristal, así que recurrieron a una técnica de imagen llamada microscopía confocal, que utiliza, dicho de forma resumida, un haz láser que escanea a través del material para producir fluorescencia dirigida a partir de las moléculas de tinte. Esto revela cada plano bidimensional de un cristal, que puede apilarse uno sobre otro para construir un modelo digital tridimensional e identificar la ubicación de cada partícula.
Los modelos pueden ser rotados, cortados en rodajas y desarmados para mirar dentro de los cristales y ver cualquier defecto.
En un conjunto de experimentos, los investigadores utilizaron la miscroscopía confocal en cristales que se forman cuando dos cristales del mismo tipo crecen juntos, un fenómeno conocido como gemelación, de manera que comparten una orientación cristalográfica común. Esto significa que las estructuras cristalinas de los cristales individuales están alineadas de forma precisa. Este fenómeno puede ocurrir durante el crecimiento de cristales o como resultado de deformaciones dentro del cristal.
Cuando los investigadores de la Univerdidad de Nueva York observaron modelos de cristales con estructuras equivalentes a la sal de mesa o a una aleación de cobre y oro, pudieron ver el plano compartido de los cristales adyacentes, un defecto que da origen a estas formas particulares. Este plano compartido reveló el origen molecular de la gemelación cristalina.
La nueva técnica permite ver cristales en movimiento.
Además de observar cristales estáticos, esta nueva técnica permite a los científicos visualizar cristales en movimiento. Por ejemplo, ¿qué ocurre cuando los cristales se funden? ¿Se reorganizan las partículas y se mueven los defectos? En un experimento en el que los investigadores fundieron un cristal con la estructura de la sal mineral cloruro de cesio, se sorprendieron al comprobar que los defectos eran estables y no se movían como era de esperar.
Para validar sus experimentos con cristales estáticos y dinámicos, el equipo también utilizó simulaciones por ordenador para crear cristales con las mismas características, lo que ha confirmado que su método Crystal Clear capta con precisión lo que hay en el interior de los cristales.
“En cierto sentido, con este experimento intentamos acabar con nuestras propias simulaciones: si puedes ver el interior del cristal, puede que ya no necesites simulaciones— bromea Glen Hocky, profesor de Química en la Universidad de Nueva York y coautor del estudio.
Ahora que los científicos disponen de un método para visualizar el interior de los cristales, pueden estudiar más fácilmente su historia química y cómo se forman, lo que podría allanar el camino para construir mejores cristales y desarrollar materiales fotónicos que interactúen con la luz.
“Ser capaces de ver el interior de los cristales nos permite comprender mejor cómo funciona el proceso de cristalización y quizá pueda ayudarnos a optimizar el proceso de cultivo de cristales por diseño”, añade Sacanna.
Información facilitada por la Universidad de Nueva York -Adaptación: Enrique Coperías / Rexmolón Producciones
Fuente: Zang, S., Hauser, A.W., Paul, S. et al. Enabling three-dimensional real-space analysis of ionic colloidal crystallization. Nature Materials (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-024-01917-w
