Los cuasicristales - Descubriendo la Física
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Los cuasicristales

De Descubriendo la Física

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Daniel Shechtman, un científico israelí, investigador del Departamento en Ingeniería de los materiales del Technion Institute, en Haifa, Israel y profesor de Ciencias de Materiales de la Universidad del Estado de Iowa, Estados Unidos, recibió el premio Nobel de Química 2011 por su descubrimiento de una nueva e inesperada forma de organización de la materia sólida: los cuasicristales. La pregunta que surge es ¿de cuántas formas distintas puede ordenarse la materia? A primera vista parecerían ilimitadas, pero si lo que se pretende es rellenar ordenadamente un espacio repitiendo periódicamente una misma pieza, las opciones no son muchas. Por ejemplo, si queremos cubrir una superficie lo podemos hacer con rectángulos, con triángulos, con cuadrados o con hexágonos, pero no con pentágonos. Por eso no son comunes las baldosas o azulejos pentagonales, y si se utilizan, se deben combinar con rombos para completar los huecos entre pentágonos. Desde el siglo XIX, se sabe en cristalografía que existen únicamente 17 formas distintas de cubrir una superficie, con una única pieza que se repita.
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Este número total de formas ya era conocido por los geómetras árabes. Los mosaicos del palacio de la Alhambra, en Granada, España, como los de la figura de la izquierda reflejan ese conocimiento.

Pero ¿qué sucede en un volumen? También se demuestra que sólo existen 230 formas distintas de empaquetar periódicamente un volumen con unidades idénticas. Este orden se comprueba en el laboratorio cuando se ilumina un cristal con un haz de electrones, neutrones o rayos X. Entonces el cristal difracta la luz, es decir desvía el rayo de luz, generando un patrón de puntos que muestran la simetría del ordenamiento de la estructura cristalina. Y siempre estos patrones coinciden, de acuerdo con la teoría, con una de las 230 formas distintas de empaquetamiento. Siempre la simetría es de orden uno, dos, tres, cuatro o seis, pero nunca de orden cinco, ni más de seis.

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Pero el cristalografo Daniel Shechtman realizando un estudio de difracción en abril de 1982, hace casi 30 años atrás, en Maryland, Estados Unidos, observó una imagen de 10 puntos que tenía una simetría pentagonal, como se aprecia en la figura de la derecha, es decir que la estructura cristalina estaba constituida por pentágonos. Un cristal de ese tipo no estaba incluido en la Tabla Internacional de Cristalografía, ni por supuesto en ningún libro de texto sobre el tema, ya que se trataba de un tipo de cristal que no existía. Shechtman revisó sus cálculos una y otra vez y repitió los experimentos, comprobando nuevamente los resultados. Aunque le llevó dos años, finalmente logró publicar estos resultados en un artículo en Physical Review Letters en 1984. Sin embargo, la comunidad científica encabezada por el dos veces Premio Nobel Linus Pauling rechazó su descubriento. Estos resultados contradecían una teoría probada durante más de un siglo. No obstante, Shechtman prosiguió sus investigaciones con mucho empeño y tenacidad. Años más tarde, en 1987, otros colegas empleando un microscopio electrónico observaron el mismo patrón de difracción, que rompia las reglas de la cristalografía.

La explicación al fenómeno la habian dado los matemáticos, quienes habían encontrado unos años antes que las superficies y los volúmenes pueden rellenarse completamente siguiendo pautas regulares pero no necesariamente, periódicamente perfectas. El descubrimiento de Shechtman había confirmando las predicciones hechas por los matemáticos al encontrar un material desconocido hasta el momento, que estaba ordenado cuasi periódicamente: un cuasicristal.

Aunque muchos cuasicristales han sido producidos en laboratorios, también se han encontrado en la naturaleza, como en muestras de minerales halladas en Rusia, en el río Khatyrka. También aparecen en uno de los tipos de acero más duros del mundo, que se usa para producir hojas de afeitar y finísimas agujas para operaciones oculares.

Los científicos experimentan en la actualidad con los cuasicristales en otros productos como sartenes y motores diesel, y se emplean además para recubrimientos protectores antiadherentes por su condición de extrema dureza y por ser malos conductores de la electricidad.


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