Un equipo de investigadores de la Universidad de Nueva York ha desarrollado una nueva forma de visualizar cristales mirando dentro de sus estructuras, similar a la visión de rayos X. Su nueva técnica, a la que acertadamente han denominado “Crystal Clear”, combina láseres con partículas transparentes y el uso de microscopios que permiten a los científicos ver cada unidad que compone el cristal y crear un modelo tridimensional.
“Se trata de una poderosa plataforma para estudiar cristales”, afirma Stefano Saccina, profesor de química en la Universidad de Nueva York e investigador principal del estudio, publicado en la revista. Materiales naturales. “Antes, si se miraba un cristal coloidal a través de un microscopio, sólo se podía ver su forma y estructura superficial. Pero ahora podemos mirar dentro y saber la posición de cada unidad en la estructura”.
Los cristales atómicos son materiales sólidos cuyos componentes básicos están colocados en un patrón ordenado y repetitivo. De vez en cuando, falta un átomo o está fuera de lugar, lo que provoca 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 da sus propiedades.
Para estudiar los cristales, muchos científicos, incluido Sakna, observan cristales compuestos de pequeñas esferas llamadas partículas coloidales en lugar de átomos. Las partículas coloidales son pequeñas (a menudo de alrededor de un micrómetro de diámetro, o docenas de veces más pequeñas que un cabello humano), pero mucho más grandes que los átomos y, por lo tanto, más fáciles de ver con un microscopio.
Estructura a través de una vista
En su trabajo en curso para comprender cómo se forman los cristales coloidales, los investigadores reconocieron la necesidad de mirar dentro de estas estructuras. Dirigido por Shihao Zhang, estudiante de doctorado en el laboratorio de Sakna y primer autor del estudio, el equipo desarrolló un método para visualizar los bloques de construcción dentro de un cristal. Primero produjeron partículas coloidales que eran transparentes y agregaron moléculas de tinte para etiquetarlas, lo que hizo posible distinguir cada partícula bajo un microscopio usando su fluorescencia.
Un microscopio por sí solo no permitiría a los investigadores ver el interior del cristal, por lo que recurrieron a una técnica de imágenes llamada microscopía confocal, que utiliza un rayo láser para producir fluorescencia específica a partir de moléculas de tinte que escanean el contenido. Muestra cada plano bidimensional de un cristal, que se pueden apilar uno encima del otro para crear un modelo digital tridimensional e identificar la ubicación de cada partícula. Los modelos se pueden girar, cortar y separar para ver el interior del cristal y detectar cualquier defecto.
En una serie de experimentos, los investigadores utilizaron este método de obtención de imágenes en cristales que se forman cuando dos cristales del mismo tipo crecen juntos, un fenómeno conocido como “hermanamiento”. Cuando miraron dentro de modelos de cristales que tenían estructuras similares a las de la sal de mesa o las aleaciones de cobre y oro, pudieron ver el plano común de los cristales adyacentes, un defecto que da lugar a estas formas distintivas. Este plano conjunto reveló el origen molecular de los gemelos.
Cristales en movimiento
Además de observar cristales estáticos, esta nueva técnica permite a los científicos visualizar cristales a medida que cambian. Por ejemplo, ¿qué sucede cuando los cristales se derriten? ¿Se reorganizan las partículas y se mueven los defectos? En un experimento en el que los investigadores fundieron un cristal con la composición de la sal mineral cloruro de cesio, se sorprendieron al descubrir que los defectos eran estables y no se movían como se esperaba.
Para validar sus experimentos con cristales estáticos y dinámicos, el equipo también utilizó simulaciones por computadora para crear cristales con las mismas propiedades, confirmando que su método “cristalino” reveló lo que había dentro del cristal capturado correctamente.
“En cierto sentido, estamos tratando de arruinar nuestras propias simulaciones con este experimento; si puedes ver el interior del cristal, probablemente no necesites más simulaciones”, dice el profesor de química de la Universidad de Nueva York. Bromeó el profesor Glenn Hokie. miembro de la facultad del Centro Simon de Química Física Computacional de la Universidad de Nueva York y coautor correspondiente del estudio.
Ahora que los científicos tienen una forma de observar el interior de los cristales, pueden estudiar más fácilmente su historia química y cómo se forman, lo que permitirá crear mejores cristales y desarrollar materiales fotónicos que interactúen con la luz.
“Poder ver el interior del cristal nos da más información sobre cómo funciona el proceso de cristalización y puede ayudarnos a mejorar el proceso de crecimiento de cristales en términos de diseño”, añadió Sakna.
Otros autores del estudio incluyen a Adam Hauser y Sanjeeb Paul de la Universidad de Nueva York. Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. (Premio No. W911NF-21-1-0011) con apoyo adicional de los Institutos Nacionales de Salud (R35GM138312) y utilizó recursos informáticos de alto rendimiento de TI de la Universidad de Nueva York, incluido el de Simon. Centro de Química Física Computacional de la Universidad de Nueva York (Subvención No. 839534).
