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

La primera observación experimental del crecimiento de una estructura que durante siglos se consideró imposible por prohibida, por nada menos que un teorema matemático, se ha realizado en Japón. La estructura, un cuasicristal, compuesto de aluminio, níquel y cobalto, reservaba sorpresas.

Efectivamente, en vez de crecer en un estado perfecto (como hacen los cristales en condiciones muy controladas de laboratorio, con defectos mínimos), estos cristales se forman con errores frecuentes en el frente de crecimiento, que se autocorrigen posteriormente. Los investigadores no saben explicar el mecanismo, lo que indicaría que, al menos este compuesto, no sigue el modelo teórico que se supone que siguen los cuasicristales para crecer.

El descubrimiento de los cuasicristales en 1984 supuso para su autor, Daniel Shechtman, primero, un verdadero calvario de mofa y escarnio por parte de figuras de la talla de Linus Pauling, porque Shechtman afirmaba que había encontrado experimentalmente una geometría cristalina prohibida; todo ello compensado en parte después con el premio Nobel de química (sin compartir, hecho extraordinario hoy día) en 2011.

Los cuasicristales tienen agrupaciones atómicas como si fuesen un cristal ordinario pero, en vez de repetirse en el espacio una celda unidad, la estructura sigue unas reglas más complejas y anti-intuitivas, aunque perfectamente descritas matemáticamente empleando más de tres dimensiones. Esto precisamente supone uno de las grandes incógnitas de la cristalografía de los cuasicristales: si los átomos solo responden a su entorno local, ¿cómo pueden agruparse siguiendo unas estructuras matemáticas globales? En 1988, Paul Steinhardt y sus colaboradores sugiriron un mecanismo para explicarlo y desde entonces se ha supuesto que era correcto.

Keisuke Nagao, del Instituto de Ciencia Industrial de la Universidad de Tokio (Japón), y sus colegas calentaron una muestra delgada de una aleación cuasicristalina Al_70.8Ni_19.7Co_9.5 a 910 ºC, lo suficiente como para inducir la recristalinización, y la mantuvieron a esta temperatura. Los investigadores monitorizaron la evolución de la estructura cristalina usando un microscopio electrónico de transmisión de alta resolución. Conforme crecían los cuasicristales, los átomos se colocaban ha menudo en el lugar equivocado o con espaciados de celda que violaban las reglas matemáticas que gobiernan el orden cuasicristalino. Estos errores, sin embargo, se reparaban más tarde cuando las agrupaciones atómicas cambiaban de posición, a menudo después de que varias capas posteriores hubiesen crecido sobre la que contenía el error. Dos cosas estaban claras: los cuasicristales no crecían según el modelo de Steinhardt y no se sabe cual es el mecanismo que pueda estar tras el proceso de reparación.

Pero, ¿habría que descartar ya el modelo de Steinhardt? En absoluto. Los cuasicristales que se forman en los procesos industriales estándar crecen en tres dimensiones, mientras que en este experimento las condiciones de laboratorio los forzaban para crecer en una sola dirección. Son necesarios más experimentos, claramente.

Los cuasicristales revolucionaron la cristalografía, obligando a cambiar la definición de lo que era un cristal, y abrieron el camino a la aplicación de la matemática de más de tres dimensiones para explicar lo que observamos en los materiales de tres dimensiones. Tiene toda la pinta de que seguirán ampliando en el futuro nuestro conocimiento hacia territorios insospechados.

Referencia:

Keisuke Nagao, Tomoaki Inuzuka, Kazue Nishimoto, and Keiichi Edagawa (2015) Experimental Observation of Quasicrystal Growth Phys. Rev. Lett. DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.075501

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