Ganando impulso en la ingeniería coloidal

Lo que los investigadores han aprendido sobre los cristales coloidales de esferas sólidas a partir de los experimentos llevados a cabo en el espacio, los está conduciendo a formas de controlar el crecimiento cristalino para alcanzar la construcción de nuevas estructuras, una partícula a la vez.

Julio 2002: Para los investigadores como Paul Chaikin y Bill Russel de la Universidad de Princeton, la comprensión de la estructura de un material en su nivel atómico es crucial para entender sus propiedades. Eso es así porque todas las propiedades físicas de la materia, tales como peso, dureza, color, elasticidad y la capacidad de conducir el calor y la electricidad, están determinadas por las clases de átomos presentes en la sustancia, por la forma en que interactúan unos con otros, y por el tipo de formaciones que crean los átomos cuando han alcanzado el equilibrio.

Pero los átomos son pequeños y difíciles de estudiar. Lo que los investigadores necesitan es un sistema que modele el comportamiento de los átomos en una escala mayor. Las suspensiones coloidales le proporcionaron a Chaikin y a Russel un modelo precisamente así. Los coloides representan una categoría de fluidos complejos que consiste en partículas micrométricas suspendidas en un líquido o en un gas. El sistema de modelos de Chaikin y Russel es un conjunto de esferas de plástico duro suspendidas en un líquido. Como los átomos, las partículas sólidas suspendidas se mueven, chocan unas con otras, y se acomodan en posiciones donde las fuerzas que actúan sobre ellas se encuentran en balance o equilibrio.

Como los átomos pero en una escala mayor, las pequeñas partículas de una solución coloidal se reúnen para formar una estructura cristalina ordenada, tales como las partículas cristalinas opalescentes de un micrón que aquí se muestran. Paul Chaikin y William Russel estudian la forma en que interactúan estas partículas para aprender (y quizás incluso influenciar) la forma en que los átomos alcanzan un estado de equilibrio.

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Este balance de fuerzas es lo que da a los materiales sólidos su estructura, permitiéndoles mantener su forma incluso aún cuando los átomos de que está compuesta se encuentren en movimiento constante. En equilibrio, cada partícula se ha posicionado de forma que proporciona el máximo espacio libre entre ellas y sus vecinas. Esto sucede cuando las partículas golpean unas contra otras y se ven forzadas dentro de una especie de bolsón espacial rodeado por las otras partículas. Los átomos prefieren mantener una cierta distancia de sus vecinos, pero debido a la presencia de otros átomos en las proximidades, lo mejor que pueden hacer, explica Chaikin, es que cada uno de ellos tenga bolsones exactamente iguales a los de los átomos que los rodean. Estos bolsones de igual tamaño, uno al lado del otro, forman una estructura ordenada, o cristalina.

Si bien los estudios que se enfocan en la estructura de un material en equilibrio son útiles para los investigadores que intentan comprender las propiedades de una sustancia, Chaikin y Russel esperan que al aprender la forma en que un material alcanza ese estado puedan ser capaces de influenciar en el proceso y eventualmente crear estructuras útiles con propiedades predecibles y controlables.

Perdiendo peso

Aunque su modelo coloidal permite el libre movimiento de las esferas, Chaikin explica que tiene una seria limitación: “El peso es un factor, y hace que las esferas se acomoden en el fondo del contenedor”. Esto hace que la densidad de las esferas sea mayor en el fondo que en la parte superior. El gradiente de concentración hace imposible el estudio de una muestra uniforme y en equilibrio. El problema consistía en cómo estudiar estas esferas rígidas sin la interferencia de la gravedad. Los investigadores determinaron que el estudio de estas muestras coloidales en microgravedad no solamente eliminaría la sedimentación, sino que también reduciría la cantidad de remolinos que tienen lugar en un fluido cuando se mueven las esferas rígidas. “Este movimiento giratorio, llamado convección, también pone al sistema fuera de equilibrio”, dice Chaikin. “La microgravedad elimina también ese movimiento”.

Chaikin y Russel hicieron volar a sus muestras coloidales por primera vez en microgravedad a bordo del vuelo del transbordador espacial STS-73, que fue lanzado en octubre de 1995. Para ese experimento, llamado Transición Coloidal Orden-Desorden (CDOT = Colloidal Disorder-Orden Transition), los investigadores querían ver cómo sería la estructura cristalina cuando una muestra coloidal alcanzara el equilibrio en microgravedad. “Estábamos esperando ver que las muestras formarían lindos cristales grandes de un tipo en particular”, recuerda Chaikin. “Lo que pensábamos que sucedería no sucedió, pero si sucedieron otros montones de cosas, de un modo terrorífico. Todo fue inesperado”.

Un cristal coloidal formado en el espacio desarrolla una estructura tipo copo de nieve llamada dendrita, una forma que no puede alcanzar en la Tierra porque la gravedad hace que se rompan los frágiles brazos del cristal cuando éste hace contacto con otros cristales.

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Antes de CDOT, contendían dos diferentes teorías sobre el tipo de estructura cristalina que se formaría a partir de los coloides de esferas rígidas en equilibrio. Uno predecía seis ejes de rotación, o sea una estructura cristalina hexagonal; el otro predecía cuatro ejes de rotación, como un cubo. CDOT produjo cristales lo suficientemente grandes como para realizar mediciones cualitativas de sus estructuras, lo que llevó a un trabajo teórico que demostró que la estructura más probable era la de cuatro ejes de rotación. Esto fue más tarde confirmado por el Experimento de Física de Esferas Rígidas (PHaSE: Physics of Hard Spheres Experiment) que se describe más abajo.

Otras teorías de cristalización fueron también puestas a prueba por los resultados del experimento CDOT. Chaikin y Russel pudieron responder algunas preguntas acerca de cómo comienza realmente la cristalización. “La forma en que se pensaba que crecerían los cristales era que se tendría una pequeña semilla parecida a una esfera, y una vez que se hubiera logrado que el radio de la esfera creciera más allá de cierto tamaño, simplemente continuaría creciendo. La imagen que logramos inmediatamente en el transbordador espacial demostró que éso no era lo que estaba sucediendo”, dice Chaikin.

En su lugar, los investigadores descubrieron unas estructuras parecidas a copos de nieve llamadas dendritas, que no habían sido vistas antes en los experimentos coloidales llevados a cabo en tierra. Con estos resultados en la mano, el equipo pudo más tarde demostrar matemáticamente que en efecto las dendritas deberían crecer, pero que la razón por la cual no habían sido vistas antes en tierra era que los cristales son muy frágiles. A medida que las dendritas crecen en los laboratorios en tierra, se asentaban sobre otros cristales, y las fuerzas en los brazos de las dendritas hacían que se quebraran, dejando una estructura esférica.

CDOT produjo además otra sorpresa para el equipo de investigadores. Chaikin explica que en tierra, si las muestras coloidales de esferas sólidas están demasiado concentradas, sencillamente no cristalizan. Se dice que estos coloides están en un estado vítreo, porque solidifican antes de que puedan formar cristales. Las muestras de coloides que no han cristalizado luego de meses en tierra, fueron enviadas al espacio en los experimentos CDOT. “Los enviamos allá y cristalizaron muy rápidamente”, recuerda Chaikin.”Todavía no entendemos el porqué, pero sí entendemos algunas posibilidades. En tierra, la gravedad puede hacer que las partículas de junten, aún cuando no haya en el fluido una densidad suficiente como para que se estén tocando por sí mismas, y que unan, atascándose unas con otras de modo que no puedan seguir moviéndose más”.

Cuando las muestras cristalinas regresan a tierra desde el espacio, las fuerzas gravitatorias en el aterrizaje destruyen a la mayoría de ellas, puesto que son muy frágiles. “Lo que resultó estupendo con el experimento, dice Chaikin, “fue que cuando las muestras regresaron... la muestra vítrea (que se había cristalizado en el espacio) era muy resistente, puesto que estaba hecha de una concentración muy alta de esferas rígidas. Sobrevivió al aterrizaje”.

Para poder estar seguro de que los inusuales resultados obtenidos en el espacio no eran causados por una mezcla en las muestras, el equipo decidió agitar la mitad de la muestra cristalizada. La porción que fue agitada de forma de que ya no contenía ningún cristal formado en el espacio, ha permanecido como una muestra vítrea en el laboratorio de Princeton. La porción que cristalizó en el espacio ha permanecido cristalina. “Es así que sabemos que de hecho no era una muestra mala o algo que hubiera resultado en una cristalización inesperada en el espacio; era el efecto de la gravedad el que impedía que se re-cristalizara la porción vítrea de la muestra”.

Una imagen más clara

Aunque fue un experimento altamente exitoso, CDOT produjo solamente imágenes muy crudas de la estructura de los cristales de esferas rígidas, de modo que Chaikin y Russel comprendieron que el siguiente paso sería aclarar esas imágenes. “Fue diseñado un aparato totalmente nuevo con óptica de última generación y algunos otros diseños inteligentes para que nos ayudara a determinar la estructura del cristal y también observar el nucleación (las primeras etapas del crecimiento cristalino) y luego el crecimiento de los cristales”, dice Chaikin. William Meyer, del Centro Glenn de Investigación (en ese entonces llamado Centro Lewis de Investigación); David Cannell, de la Universidad de California, Santa Bárbara; y Anthony Smart de Titan-Spectron, aportaron una contribución decisiva para el diseño del nuevo aparato y de los procedimientos. Esta vez, el equipo deseaba conocer más sobre las muestras cristalinas, como por ejemplo lo elásticas que eran, cuando ocurre el nucleación, y cuán rápidamente crecen los cristales. El Experimento de Física de las Esferas Rígidas (PHaSE = Physics of Hard Spheres Experiment), diseñado para responder esas preguntas y para dar a los investigadores una oportunidad de observar el proceso de cristalización, voló a bordo del vuelo STS-94 del transbordador espacial en julio de 1997.

Es una cuestión de tamaño

Lo que PHaSE reveló al equipo de investigación fue otra vez inesperado y emocionante. Como resultó ser, los cristales no comenzaban simplemente a crecer y continuaban luego hasta llenar todo el espacio disponible del contenedor de muestras. Lo que sucedía en realidad era un proceso mucho más competitivo. En una muestra coloidal dada, la nucleación comienza en lo que parecen ser varios puntos aleatorios dentro del fluido. Los núcleos cristalinos que comienzan a crecer más temprano pueden llegar a ser bastante grandes para el momento en que otros núcleos comienzan a crecer.

“Lo que sucede”, explica Chaikin, “es que los más grandes engullen lentamente a los pequeños, hasta que el cristalito se hace más y más grande. Es un proceso muy lento y, finalmente, si se espera el tiempo suficiente, se obtiene un cristal único”. Aunque ya antes del vuelo se sabía que los núcleos mayores consumirían a los más pequeños, nadie esperaba que esto sucediera en una etapa tan temprana del crecimiento de un cristal”.

Midiendo aproximadamente un centímetro de ancho, el gran cristal único en primer plano es el cristal coloidal de esfera rígida más grande crecido hasta la fecha. Los investigadores pudieron hacer crecer a este cristal “gigante” separando un único núcleo de la solución coloidal, controlando así parte del proceso de nucleación y crecimiento.

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De hecho, dice Chaikin, se sabe que este proceso sucede también en otros sistemas. Por ejemplo, “si se respira sobre un vidrio se obtiene una niebla”, dice. “Inicialmente, en esa niebla hay diminutas gotitas que se condensan sobre el vidrio a partir del vapor de agua. Lo que sucede inmediatamente después es que las más grandes comienzan a crecer y las más pequeñas desaparecen. Las mayores crecen hasta que se tienen gotas realmente grandes. Lo mismo sucede en un coloide. Se lo llama engrosamiento.

“Lo que resulta más interesante”, continúa, “es que una vez que sabes que algo está sucediendo, puedes imaginar formas de impedirlo. Por ejemplo, el crecimiento dendrítico que vimos en la investigación primitiva embromó algunos de nuestros experimentos porque deseábamos estudiar otros fenómenos y porque queríamos hacer crecer cristales grandes, y porque no deseábamos este fenómeno de engrosamiento. Desde que supimos lo que sucedía y supimos qué era lo que lo causaba, pudimos encontrar una forma de esquivarlo”.

Para eliminar el problema de la competencia entre cristalitos en crecimiento, el equipo hizo crecer un cristal único a partir de un único núcleo, lo que resultó en “el mayor cristal coloidal de esferas rígidas en el mundo”, según Chaikin. Con un ancho de aproximadamente un centímetro, Chaikin admite que el cristal único no era enorme, pero probó la teoría de que los procesos de nucleación y crecimiento se encontraban dentro del control de los investigadores”.

Dando pasos sobre principios sólidos

Para Chaikin y Russel el paso siguiente es utilizar todo lo que han aprendido sobre los procesos de nucleación y crecimiento para controlar el resultado de la cristalización. Una ingeniería avanzada como ésta requiere igualmente herramientas avanzadas. Para los próximos experimentos que serán llevados a cabo en la Estación Espacial Internacional, Chaikin y Russel utilizarán microscopios para estudiar la estructura cristalina de los cristales coloidales de esferas rígidas. Su instrumento, llamado microscopio confocal, permite a los investigadores observar al cristal a medida que este va creciendo, partícula por partícula.

“Junto a ésto”, dice Chaikin, “lo que es aún más estupendo, creo, es que tenemos un conjunto de pinzas láser”. Las pinzas láser, explica, consisten en un haz muy enfocado de luz láser. Si el haz es lo suficientemente pequeño, las partículas pueden ser chupadas hacia el foco del mismo. “Es como la fuerza de electricidad estática que hace que los objetos se junten”, explica Chaikin. “Las partículas desean estar donde el campo eléctrico es intenso”.

“Podemos realmente tomar a las partículas que estamos observando con el microscopio y atrapar una, luego otra, y juntarlas. Así que en lugar de dejar que las partículas formen núcleos como ellas quieran, deseamos formar núcleos y observarlos crecer partícula a partícula. Queremos saber porqué el vitrificado se forma o no. Deseamos ver si podemos crear diferentes clases de estructuras cristalinas, quizás incluso estructuras cristalinas no equilibradas. Podremos hacer toda clase de cosas con este aparato”, dice Chaikin emocionado.

Una posible avenida de investigación en la que está trabajando el equipo comprende la fabricación de estructuras plásticas de escala micrónica para ser utilizadas como plataformas para el crecimiento cristalino. “Una de las cosas que deseamos hacer es tener en el microscopio no solamente la habilidad de capturar partículas en tres dimensiones, sino también la capacidad de tener en el sustrato (en el portaobjetos a través del cual estamos observando) el patrón sobre el cual realizarán el nucleación las partículas coloidales”, dice Chaikin. Estas plataformas permitirían a los investigadores tener un control preciso del posicionamiento de las partículas individuales, dando como resultado estructuras cristalinas con una ingeniería precisa. Esta precisión en el espaciamiento de las partículas permitiría una mejor en el control sobre el direccionamiento de la luz para aplicaciones tales como las conexiones telefónicas de larga distancia.

Basado en más de una década de investigación en microgravedad, este equipo de científicos está preparado para conseguir lo máximo de las oportunidades que se les presenten para la investigación en el espacio. “Cuanto más sofisticados nos hagamos”, dice Chaikin, “más cosas seremos capaces de hacer”.

Enlaces Web

Chaikin's Colloids Research– Para más información sobre la investigación de Chaikin sobre los coloides, visite su sitio web en la Universidad de Princeton.

PHaSE Project Web site – El sitio web del proyecto en el Centro Glenn de Investigación de la NASA, contiene una visión general sobre las operaciones, instrumentos experimentales y conceptos científicos.

Research Publications – Los resultados de la investigación sobre el crecimiento de cristales coloidales de esferas sólidas fueron publicados en Cheng, Z., Russel, W.B., Chaikin, P.M. (1999), Controlled growth of hard-sphere colloidal crystals, Nature, 401, 893-895.




Autor: Jacqueline Freeman-Hathaway
Editor: SpaceResearch News Editorial Board