Cuando se disuelve el azúcar en agua caliente y luego se enfría, se forman cristales de azúcar puro mientras que las impurezas permanecen en el líquido. Incluso puedes ver cómo crecen lentamente los hermosos cristales de azúcar en el agua.
Puedes hacer lo mismo con los metales, aunque probablemente no en tu cocina.
A altas temperaturas, un metal fundido puede disolver a otro. A medida que la mezcla se enfría, el metal disuelto en la masa fundida comienza a cristalizar, al igual que el azúcar forma cristales a partir del agua.
En una nueva investigación publicada en Nature Communications, observamos este proceso con más detalle que nunca y utilizamos la información obtenida para crear cristales perfectos para extraer hidrógeno del agua, la primera de innumerables aplicaciones posibles.
Los metales líquidos son diferentes del agua.
Existen diferencias importantes entre el agua y los metales líquidos.
Por un lado, no podemos ver el interior de un metal líquido y, por tanto, no podemos ver cómo se forman y crecen los cristales metálicos. Esto se debe a que los metales líquidos bloquean las ondas electromagnéticas, incluida la luz visible, por lo que nada puede pasar para que podamos observar el proceso.
Una segunda diferencia es la facilidad con la que podemos separar los cristales del líquido. Con azúcar y agua simplemente podemos verter la mezcla por un colador y coger los cristales.
Sin embargo, los metales líquidos tienen una tensión superficial muy alta, lo que hace que el líquido se comporte como si tuviera una piel apretada y estirada. Esto dificulta que el metal pase a través de un tamiz y tanto el metal líquido como los cristales permanecen encima en lugar de separarse.
Cultivar cristales en metal líquido no es una idea nueva. Sin embargo, como las personas no podían ver el interior del metal líquido, no se concentraron en observar o controlar la formación de pequeños cristales. En cambio, crecieron en su mayoría cristales grandes y no pudieron ver la dinámica del crecimiento de los cristales.
Una mirada al interior de los metales líquidos
Sin embargo, ahora contamos con herramientas avanzadas que nos permiten mirar el interior de los metales líquidos. Utilizamos rayos X de alta energía que pueden penetrar metales líquidos mediante una técnica llamada tomografía microcomputarizada de rayos X (micro-CT).
Micro-CT utiliza rayos X para tomar muchas imágenes transversales de un objeto y luego crear un modelo virtual 3D del objeto sin dañar la muestra original. El sistema que utilizamos podría producir imágenes con píxeles de tamaño micrométrico, y las tecnologías más nuevas alcanzan incluso el rango nanométrico.
Ver crecer los cristales metálicos es un paso importante para hacer crecer exactamente el tipo de cristales que desea. Moonika Widjajana
El uso de micro-CT fue extremadamente importante para nuestro trabajo. Al ajustar las condiciones (por ejemplo, qué tan rápido enfriamos el metal líquido o qué tipo de solvente usamos), pudimos observar cómo se formaron los cristales y cómo cambiaron sus formas. Estas son nuevas observaciones que investigadores anteriores aún no han informado.
Capturar una imagen en 3D de una muestra con cristales en el metal líquido lleva varias horas. Tomamos muchas imágenes de este tipo durante varios días para observar cómo crecían los cristales con el tiempo.
Tamiz y cristales de proceso.
Otro paso útil fue aplicar un voltaje eléctrico a la superficie del metal líquido una vez completado el crecimiento. Cuando hacemos esto, la tensión superficial de los metales líquidos cae casi a cero.
Sin tensión superficial, el metal líquido puede fluir fácilmente a través de un tamiz, dejando atrás los cristales.
La observación de cristales dentro de metales tiene muchas aplicaciones prácticas. Al comprender cómo crecen los cristales, podemos aprender a controlar su tamaño y forma para crear los mejores cristales para propósitos específicos.
Para probar nuestro trabajo, creamos cristales óptimos a partir de metales especiales para producir hidrógeno a partir de agua. Eso no es todo para lo que servirá esta tecnología: puede usarse para crear materiales que sean perfectos para catalizar reacciones químicas, almacenar energía en baterías, construir electrónica avanzada y muchas otras cosas.
Este artículo se volvió a publicar en The Conversation. Fue escrito por: Kourosh Kalantar-Zadeh, Universidad de Sídney y Moonika Widjajana, Universidad de Sídney
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Los autores no trabajan, asesoran, poseen acciones ni reciben financiación de ninguna empresa u organización que se beneficiaría de este artículo, y no han revelado afiliaciones relevantes más allá de su empleo académico.
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