Desarrollan nuevos materiales a partir de simetrías ocultas en la naturaleza

Las simetrías presentes en la naturaleza parecen seguir guardando secretos, pero un grupo de ingenieros de la Penn State University de Estados Unidos ha logrado descifrar algunos de ellos. La nueva información, referente al comportamiento de los polímeros, los minerales o las proteínas, resultará de vital importancia para el desarrollo de materiales avanzados de última generación, y podrá aplicarse a áreas como la informática o los dispositivos de ultrasonido, por ejemplo.

Este avance ha sido publicado en un artículo de la revista especializada Nature Materials, y se ha difundido además a través de una nota de prensa de la Penn State University. Se espera que la investigación tenga un gran impacto en distintas disciplinas, como la física, la química, la biología y la ingeniería.

Antes de la presente investigación, los científicos e ingenieros conocían cinco tipos distintos de simetrías utilizadas para comprender las estructuras de los materiales naturales. Cuatro de estos enfoques se conocían desde hace mucho tiempo, mientras que un quinto tipo de simetría, la denominada inversión del tiempo, fue descubierta hace 60 años.

Ahora, un grupo de especialistas conducido por Venkatraman Gopalan y Daniel B. Litvin, de la Penn State University, ha logrado añadir una nueva simetría. Este sexto enfoque ha permitido que el número de formas conocidas con las que se combinan los componentes simétricamente haya aumentado de 1.651 a más de 17.800 formas.

Simetrías ocultas

Según Gopalan y Litvin, el descubrimiento se sustenta en una nueva estructura matemática, que permite combinar las cinco simetrías anteriores con este último enfoque, logrando que los materiales cristalinos presenten un número mucho mayor de formas en sus agrupamientos simétricos.

La nueva simetría de rotación-inversión enriquece el lenguaje matemático que los investigadores emplean para describir la estructura de un material cristalino y predecir sus propiedades. Se trata de un enfoque totalmente nuevo, que actúa sobre un elemento estático de la estructura del material y no en la totalidad de la estructura desde un primer momento.

¿Cuál es el valor de este descubrimiento en el campo del desarrollo de nuevos materiales avanzados? Todavía resulta incalculable, ya que los agrupamientos simétricos en los materiales revisten una gran trascendencia, teniendo en cuenta que la simetría dicta todas las leyes naturales que actúan sobre el universo físico conocido.

El hallazgo se produjo cuando Gopalan reconoció que el simple concepto de invertir el sentido en el cual gira naturalmente una estructura en forma de espiral abría la puerta hacia un nuevo tipo de simetría. Así, de la misma manera que una forma cuadrada tiene la propiedad de alcanzar la simetría de rotación incluso cuando no está rotando, Gopalan descubrió que la forma de espiral mantiene la simetría de rotación-inversión a pesar de no estar físicamente obligada a girar en la dirección contraria.

Aplicaciones de gran importancia

Más allá de este concepto de rotación-inversión, el trabajo reveló simetrías estructurales que antes no habían sido reconocidas en los materiales que contienen diversos tipos de estructuras orientadas direccionalmente. Es el caso de importantes moléculas biológicas, como por ejemplo el ADN, los azúcares y las proteínas.

En consecuencia, se reconoció que diversas estructuras de inclinación octaédrica son comunes en una amplia variedad de materiales cristalinos, en los que los diversos componentes están estrechamente interconectados por redes de átomos compartidas. Los investigadores creen que los componentes de los materiales con simetría de rotación-inversión podrían utilizarse para una amplia variedad de nuevas aplicaciones.

Por otra parte, el número cada vez mayor de agrupamientos simétricos posibles podría llegar a ser muy útil en la identificación de nuevos materiales con combinaciones inusuales de propiedades. Es el caso de un material ferromagnético-ferroeléctrico, o sea capaz de permitir el control eléctrico del magnetismo, que podría tener gran aplicación en el terreno de la informática.

Los ingenieros de la Penn State University persiguen el objetivo de describir cada una de las más de 17.800 combinaciones diferentes de los seis tipos de simetría, para brindar a los especialistas en ciencias de los materiales una nueva herramienta práctica que permita aumentar significativamente la eficiencia y eficacia en la búsqueda de nuevos materiales. Al mismo tiempo, trabajan en la comprobación experimental de su teoría, por ejemplo, buscando descubrir nuevas propiedades ópticas en los cristales de cuarzo comunes.