La estructura del óxido de titanio bidimensional se rompe a altas temperaturas mediante la adición de bario; en lugar de hexágonos regulares, se crean anillos de cuatro, siete y diez átomos que se ordenan aperiódicamente. Un equipo de la Universidad Martin Luther Halle-Wittenberg (MLU) realizó este descubrimiento en colaboración con investigadores del Instituto Max Planck (MPI) de Física de Microestructuras, la Université Grenoble Alpes y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (Gaithersburg, EE. resolviendo el enigma de la formación bidimensional de cuasicristales a partir de óxidos metálicos. Sus hallazgos han sido publicados en la revista Nature Communications.
Los hexágonos se encuentran con frecuencia en la naturaleza. El ejemplo más conocido es el panal, pero también forman esta estructura el grafeno o varios óxidos metálicos, como el óxido de titanio. « Los hexágonos son un patrón ideal para arreglos periódicos », explica el Dr. Stefan Förster, investigador del grupo de Física de superficies e interfaces del Instituto de Física de MLU. « Encajan tan perfectamente que no hay huecos ». En 2013, este grupo hizo un descubrimiento sorprendente al depositar una capa ultrafina que contenía óxido de titanio y bario sobre un sustrato de platino y calentarlo a unos 1000 grados centígrados en vacío ultraalto. Los átomos se ordenaron en triángulos, cuadrados y rombos que se agrupan en formas simétricas aún más grandes con doce aristas. Se creó una estructura con simetría rotacional de 12 veces, en lugar de la periodicidad esperada de 6 veces. Según Förster, « se crearon cuasicristales que tienen una estructura aperiódica. Esta estructura está hecha de cúmulos atómicos básicos que están altamente ordenados, incluso si la sistemática detrás de este orden es difícil de discernir para el observador ». Los físicos de Halle fueron los primeros en todo el mundo en demostrar la formación de cuasicristales bidimensionales en óxidos metálicos.
Los mecanismos que subyacen a la formación de tales cuasicristales siguen siendo desconcertantes desde su descubrimiento. Los físicos de MLU ahora han resuelto este enigma en colaboración con investigadores del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras de Halle, la Université Grenoble Alpes y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (Gaithersburg, EE. UU.). Usando experimentos elaborados, cálculos energéticos y microscopía de alta resolución, han demostrado que las altas temperaturas y la presencia de bario crean una red de anillos de titanio y oxígeno con cuatro, siete y diez átomos respectivamente. « El bario rompe los anillos atómicos y los estabiliza », explica Förster, que dirige el proyecto conjunto. « Un átomo de bario está incrustado en un anillo de siete, dos en un anillo de diez ». Esto es posible porque los átomos de bario interactúan electrostáticamente con el soporte de platino, pero no forman un enlace químico con los átomos de titanio u oxígeno.
Con su último descubrimiento, los investigadores han hecho algo más que aclarar una cuestión fundamental de la física. « Ahora que tenemos una mejor comprensión de los mecanismos de formación a nivel atómico, podemos intentar fabricar tales cuasicristales bidimensionales bajo demanda en otros materiales relevantes para la aplicación, como óxidos metálicos o grafeno », dice Förster. « Estamos emocionados de saber si este arreglo especial producirá propiedades completamente nuevas y útiles ».
Los experimentos se llevaron a cabo como parte del proyecto « Cristales aperiódicos: estructura, dinámica y propiedades electrónicas », financiado por la Deutsche (DFG – Fundación Alemana de Investigación) y la Agence Nationale de la Recherche francesa.