Un treball internacional que ha comptat amb la participació de l'Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB) del CSIC i publicat a Nature, ha aconseguit obtenir, a partir de la cristal·lització d'un òxid, un nou compost de manganès - 'estructura del qual no s'assembla a res conegut- controlant a nivell atòmic les condicions de cristal·lització i l'estructura resultant.
La clau d'aquest estudi està en aprofitar les condicions especials associades a les anomenades "fronteres de domini", típiques dels compostos anomenats ferroics i que, com demostren aquests resultats, poden actuar com a reactors químics a escala nanomètrica. El treball s'ha publicat a la revista Nature i té com a autors principals a Saeedeh Farokhipoor i Beatriz Noheda, de la Universitat de Groningen (Països Baixos) i César Magen, l'Institut de Nanociència d'Aragó.
Jorge Íñiguez, científic de l'Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB) del CSIC, que ha participat en l'estudi, explica: "Quan es fa créixer un vidre sobre un substrat, la cristal·lització comença en diferents punts i amb diferents orientacions. Quan dues zones amb diferent orientació es troben, queda entre elles el que s'anomena 'frontera de domini', una zona que en alguns casos pot tenir un gruix de menys d'un nanòmetre. En aquest estudi, trobem les condicions perquè aquestes fronteres presentin una composició química i ordre atòmics diferents als del propi vidre, la qual cosa dóna lloc a propietats magnètiques també diferents."
En el passat aquestes 'fronteres de domini' - que trenquen la simetria i visualment es veuen com unes línies que fan malbé l'homogeneïtat del vidre - eren considerats irregularitats i defectes a evitar. Però ara se sap que poden presentar estructures molt ordenades i que, modulant les condicions de creixement, es pot controlar les seves propietats i obtenir resultats d'interès. Això és el que han fet els investigadors en aquest treball.
L'equip de Groningen va fer cristal·litzar una primíssima capa (no més gruixuda que uns pocs àtoms) d'un òxid de manganès i terbi sobre un substrat d'òxid de titani i estronci. El substrat és fonamental, ja que afecta la forma en què creix el vidre. En analitzar els resultats, la sorpresa va ser veure que les fronteres de domini eren magnètiques, mentre que la resta del vidre no ho era. Per entendre aquest efecte inesperat, van recórrer a la simulació, que va ser realitzada per l'investigador Jorge Íñiguez, científic de l'ICMAB-CSIC, juntament amb Maxim Mostovoy, de la Universitat de Groningen.
Jorge Íñiguez explica: "La simulació amb tècniques de mecànica quàntica ens han permès investigar les fronteres de domini per determinar les estructures més probables, així com les característiques que tindran i explicar per què". Els resultats obtinguts amb simulació concordaven amb els resultats obtinguts en la cristal·lització real. I afegeix: "Hem pogut veure que els murs de domini obtinguts tenen una estructura que no s'assembla a res del que coneguem en la naturalesa, i aquesta estructura explica les seves propietats magnètiques".
Les tècniques de simulació van permetre veure àtoms de manganès enllaçats amb quatre àtoms d'oxigen en una estructura quadrada plana única. La tensió en els murs de domini havia forçat una nova reacció química i havia originat un nou compost de manganès que no s'assembla a cap altre conegut.
Els investigadors ja havien aconseguit una gran experiència en controlar quantes fronteres de domini es formen. Ara, en aquest treball, han avançat més aconseguint, a més, analitzar què passa exactament a nivell atòmic en una frontera de domini i per què. En poder controlar i modular les condicions de cristal·lització, les fronteres es comporten com a nanoreactors químics, que permeten obtenir per auto-acoblament nous compostos, potencialment amb noves propietats, i controlats a escala atòmica.
Artícle de referència:
Artificial chemical and magnetic structure at the domain walls of an epitaxial oxide. S. Farokhipoor, C. Magén, S. Venkatesan, J. Íñiguez, C.J.M. Daumont, D. Rubi, E. Snoeck, M. Mostovoy, C. de Graaf, A. Müller, M. Döblinger, C. Scheu and B. Noheda Nature, 20 November 2014, DOI 10.1038/nature13918
Processos de cristal·lizació visualitzats. El siguent enllaç és d'un video de beautifulchemistry.net. Tot i que els materials no tenen res a veure amb el treball i estan a una escala més gran, dóna una idea del que succeeix en el procés de cristal·lització, que comença a diferents punts i diferents orientacions.