Foto: Laboratorio Nacional Alexander Tokarev / UCLA

Un grupo de científicos de la Universidad de California en Los Angeles (UCLA) han realizado un experimento revolucionario que desafía las teorías de larga data sobre la manera en que los átomos cambian cuando se funden, se congelan y se evaporan. Para lograrlo, utilizaron el método de la tomografía electrónica atómica, lo que les permitió capturar el movimiento de los átomos en cuarta dimensión (4D) durante la nucleación.

La nucleación consiste en la coalescencia de los átomos y las moléculas, un proceso que ocurre cuando la materia va cambiando su estado, es decir, cuando se congela, se funde o se evapora. Los investigadores utilizaron un microscopio de alto nivel, que permitió la captura de las imágenes en 3D de los átomos cuando la muestra molecular cambiaba.

Una técnica revolucionaria

La técnica de la tomografía electrónica atómica les permitió observar nanopartículas producto de la aleación del hierro y el platino, luego de que estos materiales se calentaron a 520 grados Celsius.  Esta temperatura produjo una transición entre dos etapas sólidas distintas para los materiales, capturadas en imágenes luego de 9 minutos, 16 minutos y 26 minutos, mientras la muestra giraba en el microscopio.

A través de un comunicado, Jianwei Miao, profesor de física y astronomía en la UCLA, y autor principal del estudio, afirmó:

Este es realmente un experimento innovador: no solo localizamos e identificamos átomos individuales con alta precisión, sino que también controlamos su movimiento en 4D por primera vez.

Los expertos usaron algoritmos especiales para hacer un seguimiento de los 33 núcleos, algunos de los cuales solo tenían 13 átomos, ubicados en una misma nanopartícula. Las imágenes reveladas revelaron que la aleación de los materiales cambió su estado de forma aleatoria a un estado en el que los átomos de platino y de hierro se alineaban de una manera más limpia.

Asimismo, los científicos detectaron que los núcleos lograban formas irregulares en vez de las formas totalmente redondas que había predicho por muchos años la teoría atómica clásica, además de la falsa consideración de que los núcleos tenían un límite definido.

Durante el proceso de transición de fase, los investigadores pudieron observar que los núcleos se hacían más pequeños, se dividían, se mezclaban entre sí e incluso desaparecían. Anteriormente, se creía que cuando los núcleos se formaban, solo podían hacerse más grandes. Estos hallazgos podrían obligar a toda la comunidad científica a plantear de nuevo la teoría atómica que estudia una amplia variedad de fenómenos físicos y químicos.

Referencia: Observing crystal nucleation in four dimensions using atomic electron tomography. Nature volumen 570, páginas 500 – 503 (2019). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-019-1317-x