Un grupo de investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign ha hecho un descubrimiento que podría cambiar las reglas del juego en el ámbito de la física vibracional. ¿Te imaginas poder ver cómo vibran los átomos? Gracias a una tecnología de imagen avanzada, han logrado observar modos de vibración en materiales bidimensionales que hasta ahora habían permanecido ocultos. Esta investigación, publicada en la revista Science, no solo confirma la existencia de una nueva clase de modos vibracionales, sino que también presenta imágenes de la más alta resolución jamás capturadas de un solo átomo.
Descubrimiento de los modos Moiré
Los materiales bidimensionales se perfilan como una opción prometedora para la próxima generación de dispositivos electrónicos. ¿Sabías que pueden ser reducidos a grosores de solo unos pocos átomos sin perder sus propiedades electrónicas deseables? Aquí es donde entra en juego el concepto de sistemas Moiré: apilamientos de materiales 2D cuyas redes atómicas no coinciden, a menudo debido a la torsión de las capas atómicas.
Los fonones Moiré, esos modos vibracionales de baja frecuencia únicos de los materiales bilaterales 2D torcidos, son clave en este descubrimiento. Dado que el calor es el resultado de estos patrones vibracionales, estudiar sus diferentes configuraciones podría ayudar a los científicos a entender mucho mejor cómo se expresa el calor. Además, los phasons, que son modos vibracionales asociados con el movimiento atómico, se cree que explican algunas de las propiedades únicas de estos materiales 2D torcidos.
Hasta ahora, la observación directa de phasons en materiales 2D había eludido a los investigadores, dejando sus pronósticos en el ámbito de la teoría. Según Pinshane Huang, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y autor principal del estudio, “no puedes deshacerte fácilmente de los phasons; eso es tanto una bendición como una maldición. Siempre han estado presentes, cambiando las propiedades de los materiales Moiré 2D sin ser detectados”.
Tecnología de imagen revolucionaria
La curiosidad de Huang sobre la microscopía electrónica lo llevó a preguntarse si los avances en la tecnología de imagen podrían utilizarse para visualizar modos vibracionales locales como los phasons. Así, se unió a Yichao Zhang, quien en ese momento era investigador posdoctoral y se especializa en el transporte de calor a escala nanométrica.
“Nuestro objetivo central era ver el calor observando un átomo”, explica Huang. “Esto funciona al alcanzar una resolución espacial tan alta que las vibraciones de los átomos alteran su apariencia borrosa. Estos movimientos son diminutos, y literalmente podemos observar un átomo a la vez y ver cómo se mueven por el calor”.
Para obtener estas imágenes, el equipo utilizó la ptychografía electrónica, una técnica recientemente desarrollada que mejora significativamente la resolución de los microscopios existentes. Con una resolución espacial en la escala de picómetros, los investigadores pudieron observar directamente las vibraciones térmicas en los átomos de WSe2 torcidos.
Huang menciona que al inicio de su carrera pensaban que la máxima resolución posible era de menos de un angstrom. Sin embargo, con la llegada de la ptychografía, comenzaron a ver números tan bajos como 0.2 angstroms. “Eso nos hizo pensar, ‘el calor vibra átomos aproximadamente 0.05 angstroms’. Poder observar el calor es un ejemplo de cómo un salto monumental en la resolución cambia fundamentalmente lo que los microscopios pueden hacer”.
Implicaciones futuras en electrónica
Los ingenieros de Illinois Grainger anticipan un futuro en el que los phasons podrían utilizarse para desarrollar dispositivos electrónicos que funcionen de manera diferente a las versiones actuales. “Una posible aplicación de esta técnica es fabricar materiales que sean mejores conductores de calor”, afirma Zhang. “Podríamos observar un solo átomo e identificar un defecto que impide que el material se enfríe de manera más eficiente. Esto podría llevar a técnicas de gestión térmica mejoradas a escala atómica. Observar átomos uno por uno y cómo responden a las vibraciones térmicas nos proporcionará ese tipo de conocimiento fundamental”.
Este descubrimiento no solo representa un avance en la física de materiales, sino que también abre la puerta a nuevas posibilidades en el diseño y la fabricación de dispositivos electrónicos más eficientes y funcionales. A medida que la investigación avanza, el potencial de aplicar estos hallazgos podría transformar nuestra comprensión y uso de los materiales a nivel atómico. ¿Te imaginas cómo podría cambiar nuestra vida cotidiana con estos nuevos dispositivos?
