Un trabajo internacional que ha contado con la participación del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona del CSIC, publicado en Nature, ha conseguido obtener, a partir de la cristalización de un óxido, un nuevo compuesto de manganeso, cuya estructura no se parece a nada conocido, controlando a nivel atómico las condiciones de cristalización y la estructura resultante.
La clave de este trabajo está en aprovechar las condiciones especiales asociadas a las llamadas “fronteras de dominio”, típicas de los compuestos llamados ferroicos y que, como demuestran estos resultados, pueden actuar como reactores químicos a escala nanométrica.
El trabajo se ha publicado en la revista Nature y tiene como autores principales a Saeedeh Farokhipoor y Beatriz Noheda, de la Universidad de Groningen (Países Bajos) y César Magén, del Instituto de Nanociencia de Aragón.
Jorge Íñiguez, científico del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona del CSIC, que ha participado en el estudio, explica: “Cuando se hace crecer un cristal sobre un sustrato, la cristalización empieza en diferentes puntos y con diferentes orientaciones. Cuando dos zonas con diferente orientación se encuentran, queda entre ellas lo que se denomina ‘frontera de dominio’, una zona que en algunos casos puede tener un grosor de menos de un nanómetro. En este estudio, encontramos las condiciones para que estas fronteras presenten una composición química y orden atómicos diferentes a los del propio cristal, lo que da lugar a propiedades magnéticas también distintas.”
En el pasado esas ‘fronteras de dominio’ - que rompen la simetría y visualmente se ven como unas líneas que estropean la homogeneidad del cristal - eran considerados irregularidades y defectos a evitar. Pero ahora se sabe que pueden presentar estructuras muy ordenadas y que, modulando las condiciones de crecimiento, se puede controlar sus propiedades y obtener resultados de interés. Eso es lo que han hecho los investigadores en este trabajo.
El equipo de Groningen hizo cristalizar una delgadísima capa (no más gruesa de unos pocos átomos) de un oxido de manganeso y terbio sobre un sustrato de óxido de titanio y estroncio. El sustrato es fundamental, ya que afecta a la forma en que crece el cristal. Al analizar los resultados, la sorpresa fue ver que las frontera de dominio eran magnéticas, mientras que el resto del cristal no lo era. Para entender ese efecto inesperado, recurrieron a la simulación, que fue realizada por el investigador Jorge Íñiguez, científico del ICMAB-CSIC, junto a Maxim Mostovoy, de la Universidad de Groningen.
Jorge Íñiguez explica: “La simulación con técnicas de mecánica cuántica nos han permitido investigar las fronteras de dominio para determinar las estructuras más probables, así como las características que tendrán y explicar por qué”. Los resultados obtenidos con simulación concordaban con los resultados obtenidos en la cristalización real. Y añade: “Hemos podido ver que las fronteras de dominio obtenidos tienen una estructura que no se parece a nada que conozcamos en la naturaleza, y dicha estructura explica sus propiedades magnéticas”.
Las técnicas de simulación permitieron ver átomos de manganeso enlazados con cuatro átomos de oxígeno en una estructura cuadrada plana única. La tensión en las fronteras de dominio había forzado una nueva reacción química y había originado un nuevo compuesto de manganeso que no se parece a ningún otro conocido.
Los investigadores ya habían conseguido una gran experiencia en controlar cuántas fronteras de dominio se forman. Ahora, en este trabajo, han avanzado más consiguiendo, además, analizar qué pasa exactamente a nivel atómico en una frontera de dominio y por qué. Al poder controlar y modular las condiciones de cristalización, las fronteras se comportan como nanorreactores químicos, que permiten obtener por auto-ensamblaje nuevos compuestos, potencialmente con nuevas propiedades, controlados a escala atómica.
Artículo de referencia:
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
Procesos de cristalización visualizados. El siguiente enlace es un video de beautifulchemistry.net. Aunque los materiales no tienen nada que ver con el trabajo y están a una escala espacial mayor, da una idea de lo que sucede en el proceso de cristalización, que empieza en diferentes puntos y con diferentes orientaciones.