Física

Cuando el agua se congela, el hielo se forma primero en “núcleos” (pequeños cristales semilla que pueden crecer o encogerse y sobrevivir sólo si alcanzan un tamaño mínimo), al menos según la teoría de los libros de texto. Los investigadores ahora han demostrado que este conocimiento también se aplica a una transición de fase más complicada en el dióxido de vanadio (VO2), un material cuyas propiedades eléctricas y estructura cristalina cambian en la llamada transición de fase de metal a aislante [1]. El equipo midió el tamaño del umbral para las "semillas" que impulsan esta transición y demostró una nueva técnica para estudiar las transiciones de la estructura cristalina. El resultado sugiere que la teoría clásica de la nucleación es válida para una variedad de materiales que son importantes en áreas como la catálisis, los láseres y la fabricación de aleaciones y cerámicas.

Coloque un balde de agua purificada en un ambiente con temperaturas bajo cero y comenzarán a formarse pequeñas semillas de hielo. Muchos se disolverán rápidamente, pero aquellos que superen un cierto tamaño umbral crecerán y eventualmente se fusionarán para formar un solo bloque de hielo. Esta visión de la cristalización, asociada con la teoría clásica de la nucleación, ha sido bien aceptada para la transición agua-hielo. Junqiao Wu, de la Universidad de California, Berkeley, y sus colegas querían probar si el mismo fenómeno de nucleación está en juego en el VO2 cuando hace una transición de una estructura cristalina a otra.

El VO2 se utiliza en revestimientos de superficies, sensores y sistemas de imágenes. Por encima de 340 K, el material es metal, lo que significa que es un buen conductor eléctrico. A temperatura ambiente, se convierte en un aislante (no conductor). Esta transición de metal a aislante (MIT) va acompañada de un cambio en la estructura cristalina del material y tiene algunas peculiaridades que recuerdan a la transición de agua a hielo. Por ejemplo, si el material es lo suficientemente puro, el VO2 puede “sobreenfriarse” y permanecer metálico a temperaturas en las que normalmente es aislante. El agua también puede sobreenfriarse por debajo de su punto de congelación.

Los investigadores han visto previamente indicios de que el VO2 y materiales similares nuclearon las transiciones de fase de la misma manera que lo hace el agua, pero no tenían evidencia directa. Para explorar esta posibilidad, Wu y sus colegas desarrollaron un método para colocar “semillas de nucleación” (pequeñas regiones que pueden nuclear transiciones de fase) dentro del metal y controlar el proceso de nucleación.

Primero, los investigadores fabricaron una serie de cables de VO2 metálicos, monocristalinos puros, con secciones transversales de aproximadamente 100 × 250 nanómetros cuadrados (nm2) y longitudes de aproximadamente 50 micrómetros. Para cada experimento, suspendieron uno de los cables a través de un par de crestas de electrodos paralelas, de modo que el cable se sostuviera solo en sus extremos. Luego, el equipo irradió los extremos del cable con iones de helio. Esta irradiación dañó los extremos de una manera que impidió que el contacto con los electrodos desencadenara una nucleación no deseada, creando así "un semillero ideal para plantar y cultivar semillas [de nucleación]", dice Wu. También irradiaron una serie de franjas a lo largo del cable para crear ocho segmentos "blindados" separados. El equipo utilizó un haz de iones de galio enfocado para distorsionar la estructura cristalina y crear una semilla de nucleación en cada segmento. Las semillas tenían entre 10 nm y 180 nm de diámetro, y el equipo monitoreó sus efectos en la transición de fase del cable con un microscopio óptico.

A medida que los investigadores enfriaron el cable por debajo de la temperatura de transición de fase normal del VO2, cada semilla finalmente desencadenó una transición de fase en su segmento: cuanto más pequeña era la semilla, menor era la temperatura de transición. El equipo descubrió que se requería un tamaño mínimo de semilla de decenas de nanómetros para que se llevara a cabo el MIT (y el valor preciso depende de los detalles de la creación de la semilla). Todos los resultados coincidieron con las predicciones de la teoría clásica de la nucleación.

Wu dice que los resultados indican que el MIT de VO2 está impulsado por la nucleación y que los investigadores podrían utilizar materiales mejor estudiados para obtener más información sobre el MIT. “Hay algo universal que rige estos fenómenos”, afirma. También cree que los resultados ofrecen una ruta para diseñar materiales con transiciones de fase bien controladas que podrían mejorar el uso del VO2 tanto en aplicaciones como en estudios de investigación fundamental. "El VO2 profundamente sobreenfriado que demostramos es un banco de pruebas ideal para investigaciones futuras", dice Wu.

La confirmación de que la teoría clásica de la nucleación es válida para la transición de cristal a cristal en VO2 es "importante" y "emocionante", dice Volker Eyert, científico de materiales de Materials Design, Inc., en Francia. Los resultados desmitifican esta transición de fase específica y sugieren que las teorías estándar pueden aplicarse a transiciones de fase en otros materiales, añade.

–Katherine Wright

Katherine Wright es la editora adjunta de la revista Physics.

Lei Jin, Yin Shi, Frances I. Allen, Long-Qing Chen y Junqiao Wu

Física. Rev. Lett. 129, 245701 (2022)

Publicado el 5 de diciembre de 2022

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