Al igual que dos imanes tirados uno hacia el otro, pequeños cristales se retuercen, se alinean y chocan entre sí, pero debido a una fuerza completamente diferente. Por primera vez, los investigadores han medido la fuerza que los une y visualizan cómo giran yalinear.
Llamada fuerzas de van der Waals, la atracción proporciona información sobre cómo los cristales se autoensamblan, una actividad que ocurre en una amplia gama de casos en la naturaleza, desde rocas hasta conchas y huesos.
"Es provocativo en el sentido de que a partir de este tipo de mediciones se puede construir un modelo de ensamblaje tridimensional, con partículas que se unen entre sí de formas selectas como los ladrillos de Lego", dijo el químico Kevin Rosso, del Departamento de Energía del Noroeste del PacíficoLaboratorio nacional: "Los cristales se encuentran prácticamente en todas partes en la naturaleza, y este trabajo nos ayudará a aprovechar estas fuerzas cuando diseñamos nuevos materiales".
fuerza de fusión
Los cristales forman estructuras de soporte en una variedad de materiales naturales y sintéticos. Los cristales más grandes pueden acumularse a partir de los más pequeños. Aunque generalmente tienen forma de cubos, los cristales tienen varios lados diferentes, algunos de los cuales combinan bien entre sí y otros que noCuando los lados coincidentes están orientados correctamente, los cristales pueden fusionarse sin problemas, creciendo más y más.
¿Pero qué hace que los cristales se acerquen lo suficiente como para fusionarse en primer lugar, y pueden autoalinearse? Muchos tipos de fuerzas se han insinuado a lo largo de los años, pero las herramientas para reducir las correctas no han existido.
Ahora, Rosso y los equipos de PNNL, EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, un Centro de Usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en PNNL y la Universidad de Pittsburgh desarrollaron un nuevo enfoque combinando un microscopio electrónico de transmisión ambiental, llamado ETEM, consondas de fuerza de nanocristales que permiten a los científicos observar la interacción de los cristales en una situación real.El químico posdoctoral PNNL Xin Zhang y el usuario de EMSL Yang He, estudiante de doctorado de la Universidad de Pittsburgh, utilizaron recursos dentro de EMSL para examinar cómo el titaniopareja de cristales de óxido.
Para comprender su experimento, imagine sostener dos imanes y moverlos uno hacia el otro. Cuando están tan cerca que la fuerza atractiva supera el esfuerzo que está utilizando para mantenerlos separados, saltarán juntos. El equipo de PNNL hizo esto, pero a una escala mucho menor y con una fuerza que no es magnetismo.
Un pequeño salto
El equipo necesitaba usar cristales muy pequeños que no abrumaran las fuerzas débiles que esperaban ver. Ataron cristales de óxido de titanio de cien a mil veces más delgados que un cabello humano dependiendo del cabello a cada lado de uninstrumento que mide la fuerza. Luego, el equipo movió los cristales uno hacia el otro, girando en varios ángulos diferentes entre ellos, hasta que los dos se unieron.
El equipo también separó los cristales y midió cuánta fuerza tomó también. Estas mediciones permitieron a los investigadores caracterizar la fuerza en detalle. Hay varios tipos diferentes de fuerzas que funcionan para objetos de este tamaño, y con análisis adicionalesel equipo concluyó que las fuerzas llamadas van der Waals eran las que estaban trabajando causando la autoalineación.
y un giro
Además, querían poner una cara a un nombre, como una manera de hablar, de una predicción teórica de las fuerzas de van der Waals hecha en la década de 1970. La teoría permitió a los científicos calcular el torque entre los cristales que se están torciendo en relaciónel uno al otro imagine girar una barra de pan para sacar un pedazo de pan según el ángulo entre ellos
Entonces, el equipo también midió la fuerza entre dos cristales mantenidos a una distancia constante pero retorcidos en direcciones opuestas entre sí. La coautora de la física computacional Maria Sushko comparó los datos con las predicciones hechas por la teoría y demostró que la teoría se mantuvo.
"Esta es la primera medida y prueba de que la fuerza depende de cómo se rotan los cristales entre sí, lo que llamamos dependiente rotacionalmente", dijo Rosso. "Si son rotacionalmente dependientes, esto implica que esta fuerza contribuirá aalinear cristales libres que chocan entre sí en un entorno líquido, por ejemplo, aumentando la tasa de adhesión exitosa ".
Además, probar la conexión significa que será más fácil determinar fuerzas tan atractivas para cristales hechos de diferentes materiales, como el carbonato de calcio que se encuentra en las conchas marinas. Los científicos podrán determinar estas fuerzas conectando números a una ecuación en lugar devolver a hacer todos los experimentos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :