Búsqueda de nuevas fases: más allá de líquido, sólido y gaseoso

Los materiales que hoy son convencionales fueron en algún momento exóticos, e incluso antes -claro está- desconocidos. El avance lógico de las investigaciones los lleva a convertirse en elementos habituales y, si el estudio sobre sus características alcanza un límite, pasan a ser útiles para experimentar con otros de más reciente descubrimiento. Así, igual que en el pasado se miraba con extrañeza al vidrio, por ejemplo, por ser al mismo tiempo transparente, duro y moldeable, desde el Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos (IFLYSIB, CONICET-UNLP) Rodolfo Borzi y Santiago Grigera, investigadores independiente y principal respectivamente, se asombran hoy con un novedoso metal llamado rutenato de estroncio bicapa (Sr₃Ru₂O₇), cuyas propiedades analizan desde hace algunos años.

“¿Por qué estudiar cosas tan complicadas como este compuesto, que está formado por tres elementos? Bueno, porque casi todos lo que están en la tabla periódica ya se conocen en profundidad, e incluso se sabe lo que pasa si se los somete a condiciones extremas”, señala Borzi, al tiempo que Grigera añade: “Entonces cada vez se analizan cuestiones más complejas; ya no basta con combinar dos materiales sino que empieza a ser necesario agregar uno más y ver cómo se comportan las mezclas ternarias”. Ambos científicos son autores de un trabajo aparecido en Science Advances a comienzos de año en el que implementan dos nuevas técnicas para avanzar en el conocimiento acerca del mencionado metal.

Si bien el rutenato de estroncio bicapa se conoce desde la década del ’60, a comienzos de 2000 fue posible su obtención en estado ultrapuro, lo cual ha permitido observar nuevas propiedades, teniendo en cuenta que el comportamiento de un material varía no sólo según su composición sino también su estructura y microestructura, es decir, en qué forma están ordenados sus átomos y el grado de desorden existente. “En este camino –explica Grigera- lo que hacemos es buscar más fases electrónicas: así como la molécula de agua puede encontrarse en estado líquido, sólido o gaseoso, nosotros nos preguntamos existen los mismos para los electrones, o incluso otros que no sean ninguno de esos tres. Ahora estamos estudiando las propiedades electrónicas del metal, que por un lado se parece a un sólido y, por otro, a un líquido”.

Los investigadores hablan de “cristal líquido de electrones” como una posible nueva fase de este material que podría comportarse de manera similar a los cristales líquidos de moléculas, nada menos que la estructura que forma las pantallas LCD. “Ambas partículas se parecen porque son como ladrillos con los que se pueden construir cosas. Por el momento, observamos y estudiamos sus propiedades porque queremos entender cómo funciona, y más adelante se podrá especular con las aplicaciones y la utilidad de cada estado que atraviesa a medida que se los conozca cada vez más”, reflexionan.

Para continuar con los ejemplos, los expertos señalan al carbono como otro caso clásico. “Si está desordenado, es carbón común; en cambio ordenado es diamante; pero con otro tipo de orden es grafito. O sea, tres materiales con propiedades muy distintas pero que adentro tienen siempre lo mismo. Aunque sea carbono súper puro, la estructura con la que se ordenen sus átomos va a cambiar las propiedades externas, como el color, la forma o la dureza”, explica Borzi. En el caso del Sr₃Ru₂O₇ la cuestión se complejiza porque, al estar formado por tres elementos, las propiedades van a depender de que la composición sea la adecuada y de que se combinen formando estructuras correctas.

Como en determinado momento lo que podía saberse acerca de este material por medios convencionales comenzó a agotarse, la innovación pasó a estar en las formas de estudiarlo, precisamente lo que destaca a esta publicación científica. “A mayor temperatura, mayor desorden. Entonces, como para analizarlo de la manera en que nos interesaba necesitábamos que no haya desorden térmico, lo llevamos a muy baja temperatura, debajo de 1 grado kelvin (K), es decir, a aproximadamente –272 C°”, apunta Borzi, y continúa: “Además, ubicamos al rutenato de estroncio bicapa en medio de tres imanes superconductores en ángulos rectos para poder variar la dirección del campo magnético a voluntad”.

Por otro lado, también fabricaron una sonda capaz de deformar el material a tal temperatura, comprimiéndolo o estirándolo a la vez que se lo enfriaba. Para armarla, se utilizaron materiales piezoeléctricos, es decir que funcionan al revés que un encendedor de chispa, deformándose al subir el voltaje en lugar de subir el voltaje y chispear al deformarse manualmente. Cabe resaltar que del trabajo participaron también científicos alemanes con gran experiencia en el empleo de esta técnica. “La idea es someterlo cada vez a condiciones más y más rigurosas porque la nueva fase cuya presencia estamos intentando probar es extremadamente frágil y sólo se manifiesta bajo circunstancias extremas”, afirman los expertos.

Por Mercedes Benialgo

Sobre investigación: 

Rodolfo Borzi. Investigador Independiente. IFLYSIB.

Santiago Grigera. Investigador Principal. IFLYSIB.