dislocación

Imagínese un agujero diminuto en una lámina de grafeno: un único átomo de carbono que falta. Antes se creía que la molécula de agua se rompía en ese defecto solo en solitario, en gas seco. Pero si alrededor chapotea agua líquida, todo cambia.

La cámara no captura una carrera, sino una danza de átomos. En el dióxido de vanadio, la transición del estado aislante al metálico ocurre en billonésimas de segundo, pero hasta ahora nadie había visto cómo se mueven exactamente los átomos de vanadio y oxígeno.

Una baraja de cartas en la que cada carta está ligeramente girada no puede quedar perfectamente alineada: los dorsos y los diseños nunca coinciden. Pero si las cartas son flexibles, comienzan a ajustarse, desplazándose fracciones de milímetro para encontrar la coincidencia ideal. Algo similar ocurre dentro de los cristales cuando dos capas gruesas de MoS2 o de MoS2 con WS2 se apilan con una rotación de 1 a 2 grados.

Los polímeros laminares se asemejan a un edificio de varios pisos, donde cada planta está pintada de un color distinto y, a veces, aparecen grietas entre los pisos. Estas grietas son los pares de dislocaciones: alteraciones de la periodicidad que estropean el material. Los ingenieros llevan tiempo buscando la manera de controlar tales defectos sin tener que reconstruir todo el edificio.

Una baraja de cartas en la que cada carta está ligeramente girada no puede quedar perfectamente alineada: los dorsos y los diseños nunca coinciden. Pero si las cartas son flexibles, comienzan a ajustarse, desplazándose fracciones de milímetro para encontrar la coincidencia ideal. Algo similar ocurre dentro de los cristales cuando dos capas gruesas de MoS2 o de MoS2 con WS2 se apilan con una rotación de 1 a 2 grados.

En una capa fina de cristal líquido, las moléculas suelen estar como cerillas en una caja: alineadas en una dirección, pero desordenadas: unas miran hacia arriba, otras hacia abajo. Para conseguir que todas las cerillas miren en la misma dirección, se necesita una disposición especial de las moléculas. Los científicos han encontrado un truco químico que lo logra casi automáticamente.

Dentro de un trozo de aluminio, los átomos están alineados en filas ordenadas, como ladrillos en una pared. Pero a veces una fila termina antes de llegar al borde, y en el cristal aparece un «escalón» que los físicos llaman dislocación. Son precisamente estos defectos los que determinan cuán resistente, dúctil y cómo se comporta el metal bajo carga.

Una gota de agua con sal disuelta se seca sobre una mesa. La sal no se deposita en cualquier lugar: primero aparecen cristales en el borde, formando un anillo, como los posos del café en el fondo de una taza. Este comportamiento lo conoce cualquiera que haya visto la marca de una gota seca. Pero, ¿qué ocurre si en la gota viven bacterias que saben nadar?

Los patrones muaré son familiares para todos. Dos peines con distinto paso, superpuestos, muestran franjas oscuras. Algo similar surgió en el tiempo. Los físicos tomaron una nube de átomos de Rydberg —partículas con órbitas electrónicas excepcionalmente grandes— y la iluminaron con dos láseres.

Un sólido bajo el microscopio no es en absoluto un monolito. En un vidrio, un polímero o una resina endurecida, los átomos están dispuestos al azar, y por eso las propiedades del material cambian de un punto a otro. A grandes escalas estamos acostumbrados a describirlas con campos suaves, como la temperatura o la presión en una habitación.

Un diapasón golpeado suena limpio y durante mucho tiempo. Pero si mientras suena agitas ligeramente el propio diapasón, el sonido empezará a temblar y se apagará rápidamente. Algo parecido ocurre con los electrones en cualquier trozo de materia. Los átomos en la red nunca están quietos: las vibraciones térmicas los hacen temblar continuamente.

En el agua enfriada a –40 °C ocurre una pausa paradójica: el hielo hexagonal perfecto no tiene prisa por nacer. En lugar de eso, se forma una estructura desordenada con incrustaciones de capas cúbicas: una verdadera cuna para la simetría futura, llena de desorden pero ya cargada con una arquitectura oculta.

El diamante es símbolo de perfección, pero su verdadera magia se revela a través de las imperfecciones. La pureza ideal de la red otorga transparencia y dureza, mientras que los defectos —como los centros de color— abren un portal al mundo cuántico, convirtiéndose en la base de computadoras cuánticas y…

La deformación plástica es el lenguaje con el que los materiales cuentan sus tensiones internas. Durante casi un siglo, su gramática fue la teoría de las dislocaciones: diminutos defectos lineales que se deslizan por la red cristalina portando el corte.

Un conductor iónico se parece a un autobús abarrotado donde los pasajeros (iones) intentan abrirse paso hacia la salida. Antes se pensaba que se podía salir rápido si el autobús se balanceaba suavemente (red suave) o si los pasajeros estaban en un orden caótico (desorden geométrico). El nuevo trabajo muestra que no son dos trucos distintos, sino el mismo.

Los electrones en un cristal recuerdan a los coches en las calles de una ciudad: unos circulan a toda velocidad por las avenidas, otros se quedan atascados en atascos. En algunas redes, el movimiento se congela por completo: la velocidad deja de depender de la energía y los electrones se vuelven «planos». No es un atasco, sino un ritmo especial de la red, donde las ondas se cancelan entre sí.

Un gas incandescente se deposita sobre un sustrato y, capa a capa, va formando una película transparente. Pero en lugar de un espejo perfecto, la superficie a veces se cubre de diminutos bultos, como carámbanos en un cristal en plena helada. Normalmente se intentan eliminar porque estorban a la hora de fabricar piezas lisas.

Un cristal es como una formación de soldados en la plaza: cada átomo en su lugar y los electrones marchan en ondas regulares. Un material amorfo es como una multitud en una estación de tren, donde no hay ningún orden, solo un amontonamiento. En esa multitud, un electrón normalmente se atasca rápido, como una persona que intenta abrirse paso entre una masa densa de gente.

Un superconductor es un material que, al enfriarse fuertemente, pierde su resistencia eléctrica: la corriente fluye sin pérdidas. Los científicos tomaron un cristal laminar de PdTe2, parecido a una pila de hojas de papel, y lo enfriaron por debajo de 1,8 kelvin (aproximadamente -271 °C). En esas condiciones, el PdTe2 se vuelve superconductor.

Cuando se estira un trozo de metal, este cambia de forma y, a la vez, se vuelve más resistente. El secreto está en unos diminutos defectos de la red cristalina llamados dislocaciones. Son como arrugas en una alfombra: si mueves la arruga, la alfombra se desplaza más fácilmente que si tiras de toda la alfombra de una vez.

La luz puede mantener un átomo en su lugar, como una corriente de aire sostiene una pelota ligera. Pero el átomo de disprosio no es una pelota cualquiera: en su interior tiene muchos 'engranajes' (electrones) que responden de manera diferente a la luz de distintos colores.

Un filamento metálico del grosor de un cabello atraviesa la cerámica como una raíz que rompe el asfalto. En las baterías de estado sólido, estos filamentos se llaman dendritas y aparecen cuando la corriente de carga supera un umbral crítico. El electrolito cerámico es sólido pero frágil, como el vidrio.

Las moléculas en una solución se comportan como una multitud en una plaza: pueden empujarse sin orden, o alinearse en filas perfectas. La solución acuosa de cromoglicato de disodio es un conocido modelo de cristales líquidos cromónicos, donde esas "filas" surgen espontáneamente. Pero si se ilumina la solución con luz ultravioleta, el orden se derrumba: las moléculas comienzan a fragmentarse.

Un cristal de tiempo es un sistema que pulsa con un ritmo constante, como un metrónomo. Una fila de columpios que se empujan rítmicamente suele moverse al compás. Pero con un ajuste ingenioso, empiezan un ciclo completo cada dos empujones. Esto es un cristal de tiempo discreto.

Las células en la superficie del embrión se asemejan a granos de arroz que pueden alinearse en una misma dirección. Este orden se denomina nemático. Surge cuando las células comienzan a actuar de manera coordinada, como un banco de peces que nada en una sola dirección.

Romper un cubo de aluminio de unos pocos nanómetros de lado es como intentar ver caer una gota en cámara lenta cuando la propia cámara graba a la velocidad de una ametralladora. Los átomos dentro del metal vibran billones de veces por segundo, mientras que la deformación real en el laboratorio tarda minutos.

Un cristal del tamaño de media caja de cerillas se cultivó en un horno donde una zona fundida se deslizaba lentamente a lo largo de una varilla, dejando capas perfectamente ordenadas. Dentro de este cristal, los iones de cobre se asientan en los nodos de una red triangular, pero los triángulos están ligeramente torcidos, como si alguien hubiera presionado una esquina.

Un superconductor conduce la corriente sin pérdidas, como una carretera perfectamente lisa por la que los coches circulan sin fricción. Pero, ¿y si esparcimos piedras y baches en la carretera? Los científicos decidieron probar esto añadiendo desorden a un material superconductor de un átomo de espesor.

En el cristal de un metal, los átomos se alinean en filas ordenadas, como ladrillos en una pared. Pero si se arranca un ladrillo, queda un hueco: lo que llamamos vacancia. Bajo irradiación, estos huecos se multiplican, comienzan a fusionarse en grandes cavidades y el metal pierde resistencia.

El vidrio es un material con carácter. Parece frágil, pero en su interior pueden habitar poderosas fuerzas invisibles. En el vidrio templado químicamente, la superficie está comprimida como una goma elástica estirada, mientras que el interior está, por el contrario, estirado. Cuando un objeto rápido impacta contra este vidrio, esa goma se rompe en muchos puntos a la vez.

Una cadena de átomos de fósforo rojo se parece a un tren, donde los vagones son los átomos y los acoplamientos entre ellos son los enlaces químicos. A veces los acoplamientos son más fuertes, a veces más débiles, y de eso depende cómo corren los electrones por el tren.

Las capas retorcidas de átomos en un material forman un patrón de pequeñas regiones — los dominios — cada uno de los cuales puede estar electrizado en una de dos direcciones, como la aguja de una brújula que apunta al norte o al sur. Antes, estos materiales se estudiaban solo en conjunto, midiendo miles de dominios a la vez, y su comportamiento general era como un coro donde no se distinguen las voces individuales.

El litio en una batería a veces se comporta como la hiedra en una fachada: en lugar de una capa uniforme, emite finos brotes afilados. Estas agujas pueden perforar el separador dentro del acumulador y provocar un cortocircuito. Por eso, los ingenieros buscan formas de lograr que el litio crezca de manera tranquila.

La goma elástica está estirada y, de repente, se rompe. En el mundo de los átomos hay una imagen similar: la cuerda que une las partículas puede romperse. En un nuevo trabajo, los físicos tomaron una cadena de átomos de Rydberg y siguieron cómo se rompe esa cuerda.

En una fina película de aluminio, millones de diminutos granos de metal están apretados entre sí, como granos en un granito. Donde se encuentran tres de estos granos, surge un punto triple: una línea a lo largo de la cual se unen tres bordes.

Una multitud en una estación de metro se mueve más lenta que los individuos: cada uno estorba al vecino. Algo parecido ocurre en una nube densa de átomos magnéticos que se transfieren energía entre sí. Antes se pensaba que la velocidad de transferencia dependía solo de las propiedades de los propios átomos.

Tira un puñado de piedritas a un arroyo: algunas se posan en el fondo, otras el agua las rodea. Así se comportan las ondas en un medio desordenado: la luz en el vidrio esmerilado, el sonido en un material poroso. Normalmente, el desorden frena el movimiento: la onda se atasca, se dispersa, pierde la dirección.

El microscopio electrónico escanea la muestra y en cada punto registra cómo se dispersan los electrones en los átomos. El resultado es una pila gigante de imágenes, una por cada punto. En ellas está codificada la información sobre cómo se ordenan los átomos: en filas regulares o con desviación, hacia dónde está girada la red cristalina, si hay tensiones internas.

El plasma en un reactor de fusión es como un enjambre de luciérnagas que hay que mantener dentro de un frasco invisible. Antes se pensaba que las paredes del frasco debían ser perfectamente lisas, o las luciérnagas encontrarían una rendija y escaparían. El nuevo trabajo demuestra que el frasco se puede pegar a partir de piezas con costuras notables, y el enjambre seguirá dentro.

Un puñado de nanocristales de sulfuro de plomo recubiertos con moléculas cargadas se ordena por sí solo en una red cristalina perfecta. Cada nanocristal es como un ladrillo de unos pocos nanómetros, y las moléculas cargadas en su superficie actúan como mortero.