El nacimiento de un cristal podría ser mucho menos nítido que el escenario descrito durante décadas en numerosos manuales.
Un cristal es un sólido cuyos átomos adoptan una organización regular. La cristalización comienza con diminutas zonas ordenadas, llamadas núcleos, que después pueden crecer. La teoría clásica suele describir estos núcleos como pequeños cristales separados del material desordenado por una frontera bastante nítida.
Ejemplo de la estructura atómica de un cristal llamado «Zangenite».
Crédito: Shihao Zang/NYU
Para observar directamente esta etapa, unos investigadores dirigidos por la Universidad de California en Los Ángeles estudiaron nanopartículas de aleaciones que contenían varios elementos químicos. Utilizaron una técnica de microscopía capaz de reconstruir la posición de los átomos en tres dimensiones. En total, el equipo determinó la estructura de 8 160 núcleos cristalinos.
El resultado no corresponde a una simple separación entre una parte cristalizada y otra desordenada. En el centro de un núcleo, los átomos están fuertemente organizados. Al acercarse a su borde, este orden disminuye progresivamente. Por tanto, la transición se parece más a una zona gradual que a una frontera precisa.
Esta observación cambia la manera de describir el inicio mismo de la cristalización. Los investigadores proponen un modelo en el que el grado de organización varía dentro del propio núcleo. La teoría clásica sigue siendo válida en el caso particular en que la transición se vuelve muy brusca.
El estudio también revela que la organización de los átomos depende de su naturaleza química. Las aleaciones observadas contienen varios metales mezclados. La forma en que ciertos elementos se agrupan localmente acompaña, por tanto, la aparición del orden cristalino. La estructura y la composición evolucionan conjuntamente durante esta primera etapa.
Los núcleos no crecen únicamente añadiendo átomos. La mayoría de los observados también pueden fusionarse con vecinos cuya orientación es similar. Una minoría se une de otra manera y produce zonas particulares en el cristal final, llamadas maclas. Estos detalles pueden influir en las propiedades de un material.
En la práctica, describir mejor este nacimiento puede ayudar a comprender cómo la fabricación modifica la estructura final de los metales y otros sólidos. Las aleaciones estudiadas aquí pertenecen a una familia en la que están presentes varios elementos en proporciones importantes. Algunas se buscan por sus propiedades mecánicas o por su actividad como catalizadores.
Ahora queda por determinar hasta qué punto puede generalizarse este modelo. Los autores consideran que esta descripción gradual puede aplicarse a numerosos materiales. Nuevas observaciones sobre otras composiciones permitirán comprobar si durante la cristalización aparece la misma transición progresiva.