Un método para determinar la estructura átomo a átomo en un cristal

Estructura de un copo de nieve.

Copo de nieve. Imagen: Electron and Confocal Microscopy Laboratory, Agricultural Research Service, U. S. Department of Agriculture/emu.arsusda.gov

Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next

Hasta ahora se habían conseguido imágenes de distintas superficies a nivel atómico. En el artículo que publican Xiahan Sang, de la Universidad Estatal de Carolina del Norte (Estados Unidos), y colaboradores en Applied Physics Letters, dan cuenta de un método que les ha permitido obtener imágenes definidas de la posición de los átomos individuales en una estructura cristalina. El método de imagen, una modificación del microscopio electrónico de transmisión y barrido (METB), puede resultar muy útil a los investigadores en nuevos materiales, especialmente aleaciones, ya que permite entender cómo las distorsiones de la red cristalina y de los enlaces químicos pueden afectar a su rendimiento.

Desde su desarrollo en los años treinta del siglo XX la miscroscopía electrónica se ha usado para estudiar estructuras diminutas con un detalle increíble, desde copos de nieve a las antenas de los insectos. Los científicos de materiales lo usan también para comprender la estructura de los metales y sus aleaciones pero, a pesar de su alta resolución, no han sido capaces de captar la posición exacta de los átomos y sus movimientos dentro de la estructura cristalina de los compuestos que forman la aleación.

La posición de los átomos se puede conocer en promedio usando métodos de difracción, pero saber donde están a escala atómica en una muestra concreta es algo completamente diferente y bastante más complicado. Esto se debe a la influencia de la temperatura: pequeños cambios en la de la habitación, de menos de un grado, pueden hacer que el contenedor de la muestra, por ejemplo, se dilata o contraiga una cantidad increíblemente pequeña, pero suficiente como para que la imagen que se obtiene salga “movida”.

Sang y sus colaboradores decidieron eliminar esta influencia desarrollando un METB móvil. Programaron un METB convencional para que escanease la muestra desde diferentes direcciones. Al hacerlo así los investigadores pudieron determinar las distorsiones que causaba la “deriva térmica” y eliminarla de la imagen.

Lattice-distortion-Fig1a_630m

El equipo de investigadores probaron el método con cristales de aluminato de lantano – tantalato de estroncio aluminio (LSAT), que es un óxido cerámico transparente con estructura de perovskita; sus obleas formadas por un único cristal se usan como sustrato para el crecimiento epitaxial de películas delgadas, una técnica empleada en la fabricación de circuitos integrados.

Aparte de determinar las posiciones de cada átomo en la estructura, pudieron comprobar cómo, por ejemplo, la presencia de lantano en una columna aumentaba la expansión térmica en ella. En otras palabras, vieron una correlación directa entre los tipos de átomos en un punto de la red y la magnitud de una distorsión que puede afectar a todo un conjunto de propiedades.

Esta técnica permite pues conocer cómo la estructura atómica exacta afecta a las propiedades de una aleación y parece el complemento ideal de los resultados obtenidos por métodos de imagen indirectos, como la difracción de rayos-X. Esta combinación nos puede proporcionar un conocimiento de la estructura atómica de cristales concretos desconocido hasta ahora. Y las aplicaciones tecnológicas irán en proporción.

Referencia:

Xiahan Sang, Everett D. Grimley, Changning Niu, Douglas L. Irving & James M. LeBeau (2015) Direct observation of charge mediated lattice distortions in complex oxide solid solutions Appl. Phys. Lett. 106, 061913; DOI: 10.1063/1.4908124

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

Esta anotación participa en el XLIV Carnaval de Química alojado en el blog de Melquíades de @waltzing_piglet.

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