Los materiales que conocemos actúan de manera diferente en las escalas más pequeñas Los diamantes, que se sabe son duros y quebradizos, se vuelven extrañamente elásticos a nanoescalas. Tras años de no entender del todo por qué, un equipo de físicos finalmente logró decodificar este comportamiento.
Usando un microscopio de electrones especialmente construido los investigadores encontraron que los diamantes diminutos tenían un vínculo químico relativamente débil entre su capa superficial y su núcleo. Al ejercer presión sobre los nanodiamantes se concentra la tensión en una región intermedia entre la superficie del diamante y su núcleo y como resultado, el diminutos diamante no se fractura sino que más bien, reacciona como material flexible “permitiendo una elasticidad que es casi imposible en diamantes en bulto”, informaron los investigadores en un trabajo reciente sobre sus hallazgos, en Physical Review X.
“Este mecanismo oculto podría tener un rol en la elasticidad de los materiales quebradizos y sugiere que el arquetipo de la rigidez, el diamante, puede permitir que se modifiquen sus propiedades mecánicas a la nanoescala”, señaló el equipo liderado por investigadores de la Universidad Zhengzhou y la Academia de Ciencias Henan de China.
El punto elástico
El mecanismo clave que subyace a esta elasticidad es la proporción entre la cantidad de átomos en la capa superficial del diamante y el núcleo del diamante. La proporción suele ser mucho mayor en los nanodiamantes, en tanto que en los diamantes más grandes esa proporción superficie-núcleo es menor. Esta relación determina cómo actúan los diamantes bajo presión, le dijo a New Scientist Chongxin Shan, principal autor del estudio y científico de los materiales en la Universidad de Zhengzhou.
En los nanodiamantes, la proporción mayor superficie-núcleo implica que son más débiles los vínculos entre los átomos de la superficie y del núcleo en lo que se conoce como regiones interfaciales. El área más débil tiene un “rol decisivo” en las propiedades elásticas de los nanodiamantes, según explica el trabajo. Sometida a presión, esta zona interfacial literalmente sirve como espacio de elasticidad para el diamante porque absorbe el impacto en lugar de que lo absorba la superficie y los átomos del núcleo.
Más pruebas
Para su estudio los investigadores diseñaron experimentos que pondrían a prueba 100 diamantes diferentes dentro de vacíos aislados. A menor escala, mayor era el riesgo de contaminación por lo que a cada diamante lo calentaron a 100 °C antes del experimento. En cada una de las sesiones encerraron nanodiamantes individuales entre dos sostenes de diamantes conectados a sensores que medían hasta dónde podía ser elástico el diamante sin fracturarse.
Lo fascinante fue que confirmaron que el tamaño importa en la elasticidad de un nanodiamante. Por ejemplo, un diamante de 13 nanómetros tenía la rigidez similar a la del diamante de las joyas comunes en tanto que un diamante más pequeño de 4 nanómetros tenía alrededor del 30% de más elasticidad. Usando sus observaciones los investigadores crearon un modelo matemático que medía la elasticidad de los diamantes a nanoescala.
El mejor amigo del científico
Para los científicos los diamantes son populares, no tanto por su brillo sino por su versatilidad. Por ejemplo, las cápsulas en que se almacena el combustible de hidrógeno en los reactores de fusión son de diamante, lo que significa que los pequeños defectos del diamante podrían significar el éxito o fracaso de las reacciones de fusión. Los físicos también consideran a los diamantes como diminutas unidades de almacenamiento de datos en dispositivos cuánticos. En aplicaciones menos futuristas, los diamantes ya son componentes importantes en procesos clave de fabricación.
Los investigadores, por supuesto al tanto de esta idea, llegaron a la conclusión de que sus hallazgos brindan información para “dispositivos a nanoescala como resonadores nanomecánicos, elementos fonónicos y sensores cuánticos”. Si este último estudio se confirma, significaría que ahora los investigadores pueden diseñar componentes más flexibles y versátiles en la tecnología sensible.
