Cuando el hielo se convierte en agua, el cambio es casi instantáneo. A medida que la temperatura alcanza el punto de fusión, la estructura sólida del hielo se descompone en agua líquida. Este rápido cambio de sólido a líquido es común en los materiales tridimensionales conocidos.
Los materiales extremadamente finos se comportan de manera muy diferente. En lugar de fundirse todos a la vez, pueden pasar por un estado intermedio inusual que se sitúa entre sólido y líquido. Este raro estado se conoce como fase hexática. Científicos de la Universidad de Viena han observado directamente esta fase en un cristal atómicamente delgado, algo que nunca antes se había confirmado.
Combinando microscopía electrónica avanzada con redes neuronales, el equipo registró un cristal de yoduro de plata mientras estaba protegido por capas de grafeno. Estos materiales bidimensionales ultrafinos permiten a los investigadores ver la fusión a nivel de átomos individuales. Los resultados mejoran la comprensión científica de cómo funcionan las transiciones de fase en dos dimensiones. Los hallazgos también contradicen las expectativas teóricas de larga data y acaban de ser publicados. ciencia.
¿Por qué los materiales bidimensionales se funden de manera diferente?
En los materiales cotidianos, la fusión se produce repentinamente. Una vez que se alcanza la temperatura de fusión, una estructura sólida ordenada se transforma rápidamente en un líquido desordenado. Este comportamiento lo comparten los metales, minerales, hielo y muchos otros materiales tridimensionales.
Sin embargo, cuando un material se reduce en aproximadamente dos órdenes de magnitud, la fusión sigue un camino diferente. Entre los estados sólido y líquido puede aparecer una fase intermedia distinta. Este estado, conocido como fase hexática, se propuso por primera vez en la década de 1970, pero ha sido difícil de confirmar en materiales reales.
En esta etapa el material muestra un comportamiento mixto. El espacio entre las partículas se vuelve irregular, como en un líquido, mientras que los ángulos entre ellas están parcialmente ordenados, una propiedad generalmente asociada con los sólidos. Esta combinación hace de la fase hexática un estado híbrido con propiedades de ambos tipos de materiales.
Los materiales reales resuelven un misterio de larga data
Hasta ahora, la fase hexática sólo se observaba en sistemas modelo simplificados, como esferas de poliestireno muy compactas. Los científicos no estaban seguros de si los materiales cotidianos unidos por fuertes enlaces químicos podrían tener el mismo comportamiento.
Un equipo de investigación internacional dirigido por la Universidad de Viena ha respondido a esa pregunta. Al estudiar cristales atómicamente delgados de yoduro de plata (AgI), los investigadores pudieron observar por primera vez la fase hexática directamente en el material fuertemente unido. Este logro resuelve una cuestión que ha estado abierta durante décadas.
El descubrimiento confirma que esta fase esquiva puede ocurrir en cristales bidimensionales reales y revela nuevos detalles sobre cómo funciona la fusión cuando los materiales se reducen a un espesor atómico.
Átomos fundidos dentro de un sándwich de grafeno
Para observar este frágil proceso, los investigadores diseñaron una configuración experimental especial. Se colocó una sola capa de yoduro de plata entre dos láminas de grafeno, formando un “sándwich” protector. Esta estructura evita que el delicado cristal colapse y aún permite que se derrita de forma natural.
Luego, el equipo utilizó un microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM) equipado con un soporte calefactor para elevar lentamente la temperatura de la muestra por encima de los 1100 grados Celsius. Esta configuración permitió registrar el proceso de fusión en tiempo real y con resolución atómica.
Cómo la IA hizo posible el seguimiento a escala atómica
El seguimiento del movimiento de átomos individuales durante la fusión produce una gran cantidad de datos. Según Kimo Mustonen de la Universidad de Viena, autor principal del estudio, este trabajo no habría sido posible sin la inteligencia artificial. “A menos que se hubieran utilizado herramientas de inteligencia artificial como redes neuronales, habría sido imposible rastrear todos estos átomos individuales”, explica.
Los investigadores entrenaron su red neuronal utilizando grandes conjuntos de datos simulados. Una vez entrenado, el sistema analiza miles de imágenes microscópicas de alta resolución generadas durante las pruebas.
Una ventana de temperatura estrecha revela la fase hexática.
El análisis reveló un resultado interesante. Dentro de un pequeño rango de temperatura (aproximadamente 25 °C por debajo del punto de fusión de AgI), el cristal entró en una fase hexática bien definida. Mediciones adicionales de dispersión de electrones confirmaron este comportamiento, proporcionando una fuerte evidencia de que este estado intermedio existe en materiales atómicamente delgados y fuertemente unidos.
Revisa cómo funciona la fusión en dos dimensiones.
La investigación también reveló comportamientos que desafiaban las teorías existentes. Los modelos anteriores han sugerido que tanto las transiciones de sólido a hexático como de hexático a líquido deberían ser graduales. En cambio, los investigadores encontraron que sólo la primera transición siguió este patrón.
Mientras que la transición de sólido a hexático se desarrolla suavemente, la transición de hexático a líquido ocurre repentinamente, de manera muy similar a como el hielo se convierte en agua. “Esto sugiere que la fusión es mucho más compleja en cristales bidimensionales covalentes”, afirma David Lamprecht de la Universidad de Viena y de la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien).
Abriendo nuevos caminos en la física
El descubrimiento desafía décadas de suposiciones teóricas y abre nuevas direcciones para estudiar el tema a la escala más pequeña. Jani Kotakowski, jefe del grupo de investigación de la Universidad de Viena, destacó la importancia del trabajo y afirmó: “Kimmo y sus colegas han demostrado una vez más lo poderosa que puede ser la microscopía de resolución atómica”.
Más allá de mejorar nuestra comprensión de la fusión en dos dimensiones, la investigación también muestra cómo la microscopía avanzada y la inteligencia artificial pueden trabajar juntas para explorar nuevas fronteras en la ciencia de los materiales.
echar raíces
- Cuando los elementos tienen sólo unos pocos átomos de espesor, no se funden de la forma normal. En lugar de saltar directamente del sólido al líquido, pasan por un raro estado intermedio llamado “fase hexática”. Científicos de la Universidad de Viena han observado por primera vez este proceso directamente en cristales atómicamente finos de yoduro de plata (AgI).
- Para que esto sea posible, los investigadores sellaron una sola capa de yoduro de plata dentro de un “sándwich de grafeno” protector. Luego se utilizaron microscopía electrónica avanzada y redes neuronales para rastrear cómo los átomos individuales se movían y se fundían a medida que el cristal se calentaba.
- Este método reveló un resultado claro. Dentro de un rango de temperatura muy estrecho, aproximadamente 25 °C por debajo del punto de fusión del AgI, el cristal entra en una fase hexática distinta que existe entre el sólido y el líquido.
- El equipo también reveló un giro inesperado. Aunque el cambio de sólido a hexático se produjo lentamente, tal como predecía la teoría, la transición final de hexático a líquido se produjo repentinamente, como el hielo que se derrite en agua. Esto contradice las suposiciones de larga data sobre cómo deberían fundirse los materiales bidimensionales.
- En conjunto, estos hallazgos remodelan la comprensión de los científicos sobre las transiciones de fase en materiales reales y proporcionan una base sólida para futuros avances en la ciencia de los materiales, particularmente a escala atómica.
