Resumen:
Un equipo de investigación dirigido por la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA) anunció recientemente un nuevo estudio sobre la formación de cristales. Por primera vez, los científicos utilizaron tecnología de imágenes atómicas tridimensionales para observar el proceso de nucleación del cristal átomo por átomo y descubrieron que no existe un límite claro entre la estructura ordenada dentro del cristal y el material desordenado circundante como lo describe la teoría clásica. El descubrimiento podría cambiar la comprensión fundamental de cómo se forman los cristales durante las transiciones de fase en la materia.
Durante casi un siglo, los científicos se han basado en la teoría clásica de la nucleación para explicar los procesos de cambio de fase, como la congelación de líquidos y la condensación de gases. Esta teoría sostiene que algunas pequeñas regiones ordenadas, conocidas como núcleos cristalinos, se formarán primero dentro de la sustancia, y luego estos núcleos cristalinos continuarán creciendo, hasta formar cristales completos. Las ecuaciones centrales que sustentan esta teoría han sido respaldadas por miles de experimentos.
Sin embargo, cuando los investigadores observaron la formación de cristales en el espacio tridimensional átomo por átomo, la estructura real del núcleo del cristal era diferente de lo que predijo el modelo clásico. El equipo de investigación utilizó nanopartículas de aleaciones complejas compuestas de múltiples elementos metálicos y desarrolló un método para congelar los núcleos de cristal en diferentes etapas de formación, lo que les permitió observar este proceso, que suele ocurrir extremadamente rápido.
Los investigadores descubrieron que la transición de los cristales ordenados al material desordenado circundante se produce de forma gradual, en lugar de hacerlo repentinamente con una línea divisoria clara. Jianwei "John" Miao, profesor de física y astronomía en UCLA, miembro del Instituto de Nanosistemas de California y autor correspondiente del artículo, dijo que el núcleo cristalino no tiene una estructura interna uniforme ni límites claros como lo describe la teoría clásica de la nucleación. Por el contrario, la región central de cada núcleo cristalino tiene la mayor cristalinidad. Cuanto más cerca del límite, más desordenada se vuelve la disposición atómica, formando un gradiente continuo.
Para explicar este fenómeno, el equipo de investigación propuso un "modelo de trayectoria de nucleación en gradiente" más complejo. Este nuevo modelo no anula la teoría clásica de la nucleación, sino que la amplía. Miao dijo que la teoría clásica en realidad puede considerarse como un caso especial del nuevo modelo: si este caso especial se conecta a las nuevas ecuaciones, se pueden obtener exactamente los mismos resultados que la teoría clásica de la nucleación. Pero en experimentos reales, los investigadores nunca observaron límites claros a escala atómica, sino que vieron esta estructura de gradiente repetidamente.
El proceso de nucleación existe ampliamente en sistemas naturales y de ingeniería, como la formación de gotas de nubes y la fabricación industrial. Por lo tanto, recomprender este proceso puede afectar múltiples campos de investigación y proporcionar referencia para el desarrollo de nuevas tecnologías.
Para capturar las diferentes etapas de formación de cristales, los investigadores primero calentaron las nanopartículas a más de 3000 grados Fahrenheit (aproximadamente 1649 grados Celsius) y luego las enfriaron rápidamente a temperatura ambiente en unas pocas centésimas de segundo. El enfriamiento rápido inicia el proceso de formación de cristales y al mismo tiempo hace que los núcleos cristalinos de diferentes nanopartículas permanezcan en sus diferentes etapas de desarrollo.
Miao explicó que el tiempo necesario para la recopilación de datos es mucho más largo que el proceso de nucleación en sí, por lo que los investigadores primero deben "congelar" el proceso de formación de cristales antes de poder estudiar el fenómeno de nucleación en diferentes etapas.
Luego, el equipo de investigación utilizó tomografía electrónica atómica para realizar una reconstrucción tridimensional átomo por átomo de cada nanopartícula y utilizó análisis estadístico avanzado para cuantificar el grado de orden en diferentes regiones. Todo el conjunto de datos contiene más de 8.000 núcleos, cuyo tamaño varía desde menos de 10 átomos hasta más de 1.000 átomos.
Los investigadores observaron repetidamente el mismo patrón en estos núcleos: el grado de orden atómico era mayor en la región central y disminuía gradualmente hacia la superficie. A medida que el núcleo cristalino siga creciendo, el grado de orden en su región central aumentará aún más.
Estas estructuras de gradiente también cambian la comprensión de los investigadores sobre la energía necesaria para formar núcleos cristalinos. La teoría clásica de la nucleación sostiene que los núcleos cristalinos deben superar un claro requisito mínimo de energía, la llamada barrera energética. Sólo unos pocos núcleos de cristal con suficiente energía pueden cruzar este "muro".
Sin embargo, los resultados experimentales muestran que el proceso de nucleación puede no cruzar la barrera de energía de una vez, sino que se completa gradualmente a través de múltiples etapas intermedias. Miao lo comparó con escalar una pared: la teoría clásica sostiene que el núcleo de cristal debe trepar directamente sobre una pared, pero los resultados de la investigación muestran que la naturaleza puede haber adoptado una forma más eficiente, subiendo paso a paso a través de una escalera y utilizando múltiples estados intermedios para superar las barreras energéticas. El equipo de investigación cree que el nuevo modelo de trayectoria de nucleación en gradiente puede describir este proceso y explicar por qué los núcleos cristalinos se pueden formar de manera más eficiente.
El proceso completo de cambio de fase también requiere que diferentes núcleos cristalinos se combinen entre sí. El equipo de investigación también descubrió un fenómeno inesperado en este proceso: muchos núcleos cristalinos que están cerca entre sí ya tienen casi la misma orientación antes de fusionarse, lo que facilita que finalmente se combinen.
Miao dijo que era sorprendente que muchos de los núcleos ya estuvieran casi alineados antes de fusionarse. Puede reflejar un camino de formación de menor energía, pero también muestra que todavía queda mucho por explorar sobre la forma en que la naturaleza organiza la materia.
Las aleaciones de alta y media entropía utilizadas en este experimento apenas comenzaron a aparecer hace unos 20 años. Estos materiales están hechos de múltiples elementos metálicos mezclados en proporciones aproximadamente iguales, a diferencia de las aleaciones tradicionales como el acero, donde domina un solo elemento primario. Su estructura atómica altamente mixta puede producir combinaciones inusuales de propiedades como resistencia y flexibilidad, y también puede usarse para crear catalizadores de reacciones químicas más eficientes y duraderos.
Comprender el proceso de nucleación de estos materiales puede ayudar a los investigadores a diseñarlos y desarrollarlos mejor, afirmó Miao. Al mismo tiempo, el equipo de investigación cree que este modelo también puede aplicarse ampliamente a otros sistemas de nucleación.
Debido a que la nucleación es un fenómeno omnipresente en la naturaleza y en los sistemas diseñados, esta investigación podría impactar campos tan diversos como las ciencias físicas, la modelización climática, los alimentos, los productos farmacéuticos, los semiconductores y la electrónica. El método de imágenes atómicas utilizado esta vez también puede proporcionar a los investigadores una nueva herramienta para explorar cómo se desarrolla el proceso de nucleación.
Para Miao, la importancia más importante de esta investigación es que puede impulsar a la comunidad científica a repensar cómo se organiza la materia durante los cambios de fase. Dijo que el equipo de investigación cree que este trabajo cambiará la comprensión de los investigadores sobre los fenómenos de nucleación y espera que los libros de texto futuros reflejen esta nueva comprensión.
Esta investigación, titulada "Nucleación y crecimiento de cristales en aleaciones de alta entropía revelados por tomografía electrónica atómica", se publicó en la revista Nature Materials el 25 de agosto de 2026. La investigación fue apoyada principalmente por la División de Ingeniería y Ciencia de Materiales del Programa de Ciencias Energéticas Básicas de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.
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