XLV del Carnaval de la Física – Materiales Cristalinos

Esta entrada participa en la edición XLV del Carnaval de la Física cuyo blog anfitrión es Cuantos y Cuerdas

En esta ocasión, el tema de esta edición es “¿Qué descubrimiento a lo largo de la historia de la Física te parece más interesante o simplemente llama tu atención?”, yo elegí como tema los Materiales Cristalinos, espero sea de su agrado. La mejora en los materiales ha sido un signo de calidad del avance de la civilización. Los periodos prehistóricos e históricos, tales como las eras del bronce y cobre, de hecho, han sido identificados con el desarrollo de la tecnología de sus materiales como su principal característica. Esto también se cumple en las clasificaciones arqueológicas. Esto no nos dice que los avances en la tecnología de los materiales sean determinantes, sino que más bien proporcionan un ambiente en el cual ocurrieron los eventos.

Los avances científicos del siglo 20 redefinieron por completo la interacción entre la teoría y la experimentación en el entendimiento de los materiales, proporcionando las bases modernas para la formulación y la simulación de los problemas científicos y tecnológicos. El advenimiento de los estudios de difracción de los rayos-X de la arquitectura atómica de los materiales fue un punto central de esos avances. En muchos de los casos de gran importancia, la disponibilidad de especímenes cristalinos, ya sean naturales o sintéticas, fue el factor crucial para hacer posibles esos estudios.

El mundo está ahora entrando a una nueva era en la cual la capacidad de la experimentación moderna permite la manipulación al nivel de un átomo y/o molécula, así como el control de las propiedades de los sólidos en estas escalas. El tomar completa ventaja de tales capacidades para ajustar las propiedades de los nuevos materiales funcionales requiere el control sofisticado sobre los protocolos para la preparación de los materiales que yacen en el primer plano del desarrollo de la tecnología del crecimiento del monocristal. El avance en esta área es fundamental para fortalecer las industrias cuya tecnología está basada en ella, y para las empresas científicas en las cuales se soporta esta tecnología. El equipo sensible ahora esencial en los dispositivos médicos depende de la alta calidad de los detectores de monocristal. La búsqueda por mejorar aún más los materiales detectores de radiación es una parte importante del trabajo de nuevos materiales que vaya mano a mano con la del desarrollo del monocristal. Esto es solo una parte de la extensa búsqueda de nuevos materiales funcionales y la investigación y desarrollo subsecuente, el cual es vital para la salud competitiva de las industrias de alta tecnología.

El descubrimiento y desarrollo de los materiales cristalinos abarca un amplio rango de actividades que involucran tanto teoría como experimentación. Una actividad sustancial es el desarrollo de grandes boules (lingotes monocristalinos de desarrollo sintético), sobre todo el silicio libre de defectos para la industria de los semiconductores. La tecnología de silicio diseñada para las delgadas pantallas planas está siendo adaptada para producir paneles solares multicristalino para áreas extensas. Otra actividad significativa es el desarrollo de los materiales láser, utilizando tanto conocidos como nuevos materiales para las aplicaciones de comunicación más recientes. Varios arreglos para la detección de rayos gamma en experimentos físicos de alta energía dependen del descubrimiento de nuevos, o empleando conocidos, materiales monocristalinos. El uso de monocristales se ha incrementado en configuraciones metalúrgicas, por ejemplo, en las aspas de las turbinas en jets. En la industria de los semiconductores, se ha incrementado el uso de películas bidimensionales de monocristales, y la proyección a largo plazo es que se usará aún más el material ya mencionado. Las películas de diamantes son un ejemplo de tecnología emergente con muchas aplicaciones, incluyendo coberturas resistentes al deterioro en herramientas de corte así como en transistores de alto poder. Los materiales cristalinos también prometen jugar un papel integral en las necesidades de seguridad, con los semiconductores ofreciendo ventajas significativas en los esfuerzos para desarrollar detectores de radiación más sensibles. Finalmente, la cristalización de los materiales orgánicos, de alta importancia en las ciencias biológicas y bioquímicas, está recibiendo mucha atención por su potencial uso en aplicaciones electrónicas y fotovoltaicas. El crecimiento del uso de cristales es un campo diverso. Los cristales pueden desarrollarse utilizando una notable variedad de técnicas. Muchos están familiarizados con el desarrollo de cristales de azúcar en el caramelo macizo, obtenidos a partir de una solución acuosa. Este método es el prototipo para el desarrollo de compuestos intermetálicos de solventes de metal fundido, desarrollo hidrotérmico de cristales de cuarzo, y el desarrollo del flujo de óxidos, por ejemplo.

La investigación básica en química de estado sólido y la física de materia condensada utiliza el desarrollo de cristales como una técnica para la búsqueda de nuevos materiales. Después de crear un nuevo material, a menudo se requiere mucho esfuerzo para producir la cantidad de cristales necesarios para la medición de las propiedades físicas. Muchos materiales son significativamente anisotrópicos y en muchos casos exhiben propiedades mecánicas o eléctricas bidimensionales e incluso, monodimensionales. Una razón de peso para la producción de monocristales de esos materiales se extiende a la aplicación. La capacidad para desarrollar cristales de un material conocido generalmente no es tan sencilla como se lee, pero se están teniendo avances continuos en las técnicas en conjunto con la percepción teórica. Para las aplicaciones, el objetivo a menudo son cristales con baja densidad de defectos o libres de defectos; alcanzar tal nivel de perfección requiere un entendimiento detallado del sistema sujeto a investigación, en conjunto con un profundo conocimiento de las técnicas de desarrollo de cristales.

El desarrollo de cristales incluye una variedad de actividades que han sido profundamente importantes, tanto desde el punto de vista de la ciencia básica y el punto de vista tecnológico. Estas actividades son a menudo impulsadas por investigadores individuales en una estrecha alianza simbiótica con colegas teóricos y experimentales. Muchas preguntas surgen naturalmente en el contexto de búsqueda para fortalecer el apoyo para el desarrollo de cristales: ¿Qué tipo o tipos de instalaciones proporcionan el mejor enfoque para esta ciencia? ¿Cómo sincronizar la búsqueda de nuevos materiales con las actividades de desarrollo de cristales? ¿Cómo se puede asegurar que habrá una fuerza laboral adecuada con el alto nivel de competencia en la ciencia y tecnología de desarrollo de cristales y los nuevos paradigmas necesarios para la realización de la investigación en esta nueva era de control de materiales? Está claro que la perfección cristalina es una ruta a nuevas posibilidades funcionales de los materiales. Las investigaciones teóricas y experimentales en los materiales nuevos y conocidos aportarán también ganancias importantes tanto para la ciencia como para la tecnología.

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