Un equipo de físicos ha descubierto cristales rotatorios inusuales hechos de partículas giratorias que exhiben comportamientos similares a la materia viva, como torcerse en lugar de estirarse y autoensamblarse después de romperse. Estos materiales, gobernados por interacciones transversales, desafían las reglas convencionales de crecimiento de cristales. Los hallazgos, publicados en los Proceedings of the National Academy of Sciences, sugieren posibles aplicaciones en tecnología y biología.
Físicos de universidades en Aquisgrán, Düsseldorf y Maguncia en Alemania, y la Universidad Estatal de Wayne en Detroit, EE.UU., han explorado cristales compuestos de partículas rotatorias. Estos sólidos muestran propiedades extrañas, incluyendo la capacidad de dividirse en fragmentos, formar límites de grano inusuales y exhibir defectos estructurales controlables. La investigación, detallada en un estudio publicado en los Proceedings of the National Academy of Sciences, introduce un marco teórico para predecir comportamientos en sistemas con interacciones transversales.
Las fuerzas transversales, que actúan perpendiculares a la línea que conecta los centros de las partículas, causan que los objetos roten alrededor uno del otro. A diferencia de las fuerzas centrales como la gravedad, estas interacciones llevan a una rotación espontánea. Tales fuerzas aparecen tanto en materiales sintéticos, como ciertos sólidos magnéticos, como en sistemas biológicos. Por ejemplo, experimentos en el Instituto de Tecnología de Massachusetts observaron embriones de estrella de mar rotando alrededor uno del otro mediante movimientos de natación coordinados.
El profesor Dr. Hartmut Löwen de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf señaló: "Un sistema de muchos elementos constituyentes rotatorios exhibe un comportamiento cualitativamente nuevo que no es intuitivo: A altas concentraciones, estos objetos forman un cuerpo sólido de rotores, que poseen propiedades materiales 'extrañas'." Una propiedad clave es la elasticidad extraña, donde tirar del material causa que se tuerza en lugar de estirarse.
Los cristales pueden desintegrarse cuando los bloques de construcción rotatorios se frotan intensamente, rompiéndose en cristales más pequeños giratorios. Notablemente, estos fragmentos pueden reensamblarse más tarde en una estructura coherente. Un modelo teórico multiescala desarrollado por el equipo, liderado por el profesor Dr. Zhi-Feng Huang de la Universidad Estatal de Wayne y el profesor Löwen, simuló estas dinámicas.
Contrario al crecimiento típico de cristales, los cristales grandes bajo interacciones transversales se rompen en unidades más pequeñas, mientras que los más pequeños crecen hasta un tamaño crítico. El profesor Huang explicó: "Hemos descubierto una propiedad fundamental de la naturaleza subyacente a este proceso que determina la relación entre el tamaño de los fragmentos críticos y su velocidad de rotación."
El coautor del estudio, profesor Dr. Raphael Wittkowski de la Universidad RWTH de Aquisgrán y el DWI -- Instituto Leibniz de Materiales Interactivos, añadió: "Además, demostramos cómo los defectos en los cristales exhiben dinámicas propias. La formación de tales defectos puede influirse desde el exterior, lo que permite controlar específicamente las propiedades de los cristales con vistas a aplicaciones de uso."
El coautor Dr. Michael te Vrugt de la Universidad de Maguncia declaró: "Nuestra teoría de amplio alcance abarca todos los sistemas que evidencian tales interacciones transversales. Las aplicaciones concebibles van desde la investigación en coloides hasta la biología." El profesor Löwen destacó usos potenciales: "Los cálculos del modelo indican un potencial de aplicación concreto. Las nuevas propiedades elásticas de estos cristales novedosos podrían explotarse para inventar nuevos elementos de conmutación técnicos, por ejemplo."