La ciencia española, en el foco de los aplausos: descubren una técnica para observar por 1ª vez las propiedades de los materiales átomo a átomo

Comprender cómo se organizan los electrones dentro de un material es una de las claves para explicar muchas de sus propiedades. De esa distribución dependen características tan importantes como la conductividad eléctrica, el magnetismo o parte de su comportamiento físico y químico.

Sin embargo, hasta ahora la ciencia no disponía de una herramienta capaz de observar estos cambios con resolución atómica y un nivel de detalle suficiente.

Esta situación acaba de cambiar gracias a una técnica desarrollada por un equipo de investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC).

La nueva metodología permite visualizar, por primera vez, cómo se organizan los electrones átomo a átomo dentro de los materiales, un avance que abre nuevas posibilidades para estudiar su comportamiento con una precisión que hasta ahora no era posible.

Cómo permite esta técnica observar los materiales átomo a átomo

Las herramientas utilizadas hasta el momento ofrecían únicamente una visión global de la estructura electrónica de los materiales. Aunque proporcionaban información relevante, no permitían distinguir las variaciones que se producen en los electrones de cada átomo, ni en la superficie ni en las capas más internas.

La nueva técnica supera esa limitación. Según explica el equipo, disponer de esta capacidad equivale a «abrir una caja que hasta ahora estaba cerrada». Gracias a este método, los científicos pueden observar fenómenos que anteriormente permanecían ocultos.

Por otra parte, hay que destacar que los resultados de la investigación han sido publicados en la revista Nature Materials.

Qué revela este avance sobre las propiedades de los materiales

Los electrones desempeñan un papel determinante en el comportamiento de los materiales. No solo intervienen en propiedades como la conductividad eléctrica o el magnetismo, sino que también condicionan muchas de sus características físicas y químicas.

Los investigadores recuerdan que pequeñas modificaciones en la estructura de un material pueden alterar la forma en que se distribuyen los electrones alrededor de los átomos. Hasta ahora, estudiar estos cambios con suficiente detalle suponía uno de los grandes desafíos de la ciencia de materiales.

Para demostrar el potencial de la nueva metodología, el equipo utilizó un óxido de manganeso como banco de pruebas. Durante los experimentos comprobaron que una ligera compresión del material modifica la organización de los electrones, mientras que al estirarlo estos adoptan una distribución diferente.

Estas variaciones, que permanecían ocultas para las técnicas convencionales, pueden influir directamente en propiedades como la conductividad o el magnetismo.

Una metodología compatible con los microscopios electrónicos actuales

Otra de las principales ventajas del sistema es que puede aplicarse utilizando microscopios electrónicos avanzados que ya existen en numerosos centros de investigación.

Además, la técnica permite detectar cambios locales con una precisión sin precedentes y estudiar estructuras complejas en las que las propiedades electrónicas varían a escalas extremadamente pequeñas.

Según Jaume Gázquez, investigador del ICMAB-CSIC y uno de los autores del artículo, esta capacidad permitirá analizar regiones muy concretas de un material, incluso hasta el nivel de átomos individuales.

El investigador destaca que será especialmente útil para estudiar defectos e interfaces entre materiales diferentes, zonas donde suelen aparecer propiedades que no están presentes en el resto del material.

Cómo funciona la nueva técnica desarrollada por el ICMAB-CSIC

La metodología se basa en una forma avanzada de microscopía electrónica. Los investigadores dirigen un haz muy fino de electrones sobre el material y analizan cómo interactúa con los electrones presentes en sus átomos. A partir de esa información reconstruyen la distribución electrónica en distintos puntos del material.

Tal y como explica Jaume Gázquez, el procedimiento puede compararse con iluminar un objeto desde diferentes ángulos para interpretar su estructura interna.

A diferencia de la técnica basada en rayos X, este método realiza un escaneo mucho más preciso que permite detectar diferencias en la organización electrónica que hasta ahora pasaban desapercibidas.

El estudio ha contado también con la colaboración de la Universidad de la Academia China de Ciencias, la Universidad de Uppsala, la Universidad de Washington y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, combinando microscopía avanzada, simulación teórica y síntesis de materiales.