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Físicos capturan el movimiento atómico en tres dimensiones del espacio y el tiempo


Un proceso llamado «nucleación» desempeña un papel crítico en muchos fenómenos físicos y biológicos que van desde la cristalización, la fusión y la evaporación, hasta la formación de nubes y el inicio de enfermedades neurodegenerativas.

Sin embargo, la nucleación es un proceso difícil de estudiar experimentalmente, especialmente en sus etapas iniciales, cuando varios átomos o moléculas comienzan a formar una nueva fase a partir de una fase principal.

Ahora, un equipo de físicos liderado por la Universidad de California, en Los Ángeles, ha utilizado un método llamado Tomografía Electrónica Atómica para estudiar la nucleación en su etapa temprana, en tres dimensiones del espacio y el tiempo (4D) en resolución atómica.

"Este es un experimento realmente innovador: no sólo localizamos e identificamos átomos individuales con alta precisión, sino que también monitoreamos su movimiento en 4D por primera vez", dijo el profesor Jianwei Miao de la Universidad de California en Los Ángeles.

El estudio
El profesor Miao y sus colegas de investigación examinaron una aleación de hierro-platino formada por nanopartículas tan pequeñas que se necesitan más de 10.000 tendidas una al lado de la otra para cubrir el ancho de un cabello humano.

Para investigar la nucleación, los investigadores calentaron las nanopartículas a 968 grados Fahrenheit (520 grados Celsius) y tomaron imágenes después de 9, 16 y 26 minutos. A esa temperatura, la aleación experimenta una transición entre dos fases sólidas diferentes.

Aunque la aleación se ve igual a simple vista en ambas fases, una inspección más cercana muestra que las alineaciones de la estructura atómicas en 3D son diferentes entre sí.

Después de calentar las nanopartículas, la estructura cambia de un estado químico mezclado a uno más ordenado, con capas alternas de átomos de hierro y platino.

El equipo rastreó los mismos 33 núcleos, algunos tan pequeños como 13 átomos, dentro de una nanopartícula.

La teoría de nucleación
Los resultados fueron sorprendentes, ya que contradicen la teoría clásica de la nucleación. Esa teoría sostiene que los núcleos son perfectamente redondos. En el estudio, por el contrario, los núcleos formaban formas irregulares.

La teoría también sugiere que los núcleos tienen un límite definido. En cambio, los físicos observaron que cada núcleo contenía un núcleo de átomos que había cambiado a la nueva fase ordenada, pero el orden de la colocación de la estructura se juntaba cada vez más y más cerca de la superficie del núcleo.

La teoría de la nucleación clásica también establece que una vez que un núcleo alcanza un tamaño específico, solo crece más a partir desde allí. Pero el proceso parece ser mucho más complicado que eso. Además de crecer, los núcleos analizados en el estudio se contrajeron, se dividieron y se fusionaron; Algunos se disolvieron completamente.

Conclusiones
“La nucleación es básicamente un problema no resuelto en muchos campos. Una vez que puedes imaginar algo, puedes comenzar a pensar en cómo controlarlo", dijo el Dr. Peter Ercius, científico del personal del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, en Berkeley.

Los hallazgos ofrecen evidencia directa de que la teoría clásica de la nucleación no describe con precisión los fenómenos a nivel atómico. Los descubrimientos sobre la nucleación pueden influir en la investigación en una amplia gama de áreas, incluyendo la física, la química, la ciencia de los materiales, la ciencia ambiental y la neurociencia.

Crédito de la imagen: Alexander Tokarev.

Referencia del documento científico:
Jihan Zhou et al. 2019. Observación de la nucleación de cristales en cuatro dimensiones mediante tomografía electrónica atómica. Nature 570: 500-503; doi: 10.1038 / s41586-019-1317-x

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