MICROCRISTALES AGRIETADOS QUE SANAN Y VUELVEN A ATRAPAR LA LUZ

Los dispositivos fotónicos se están encogiendo: guías que transportan la luz, resonadores que la atrapan, láseres. A esa escala, basta una grieta microscópica para estropearlos. Cómo se forman y se reparan las grietas en los cristales ópticos orgánicos, escriben los autores, sigue «en gran parte sin explorar».

Los cristales que reparan sus propias grietas son, en sus palabras, «un fenómeno raro y notable». Entre los ejemplos anteriores citados en el artículo figuran la sal gema, el cloruro de potasio y la alúmina, además de varios cristales moleculares. Pero la mayoría medían de milímetros a centímetros de largo y se manipulaban con pinzas y agujas. Algunos sanaban despacio: cristales de unos 3 milímetros de largo solo se recuperaron un 6,7 % tras ser comprimidos durante 24 horas. Otros, en forma de aguja, se volvían a unir en milisegundos.

La punta de un microscopio como martillo

Melchi Chosenyah, Rajadurai Chandrasekar y sus colegas de la Universidad de Hyderabad y de la Universidad Central de Karnataka, en la India, bajaron a la escala en la que los cristales funcionan como componentes ópticos. Usaron un compuesto orgánico llamado HDMAC, que brilla en rojo anaranjado bajo luz ultravioleta, con una emisión centrada en 660 nanómetros. Depositado en solución sobre un portaobjetos de vidrio, forma cristales finos, cuadrados y rectangulares, de unas decenas de micrómetros de lado.

Su herramienta fue la punta del voladizo (cantilever) de un microscopio de fuerza atómica, usada tanto para agrietar los cristales de forma controlada como para volver a juntar los trozos. Los autores tomaron prestado el vocabulario de las fracturas óseas: las grietas transversales atraviesan el cristal, las longitudinales lo recorren a lo largo, las oblicuas en diagonal; una avulsión arranca un pequeño fragmento.

Trozos que se funden

• En un cristal de unos 13,7 por 12,5 micrómetros, una grieta diagonal desapareció al empujar hacia dentro el costado del cristal. Bajo un microscopio electrónico, la reparación era casi perfecta, con una línea tenue a gran aumento. Solo el punto del que se había arrancado un fragmento quedó sin reparar.
• Un cristal de unos 20 micrómetros de largo se partió en dos trozos separados. Realineados y presionados uno contra otro, se repararon de inmediato. Al empujarlo después con la punta, el cristal se movió como un solo cuerpo.
• Las grietas a lo largo de dos planos cristalinos distintos se repararon en ambos casos. Casi todos los microcristales sanaron cuando las superficies rotas quedaban limpias; una nube de residuos diminutos en la rotura dificultaba la reparación.
• Un cristal grande, en forma de lámina, con el mismo empaquetamiento molecular, se hizo añicos en lugar de agrietarse limpiamente, y no sanó.

Cuánta luz regresa

Los cristales largos actúan como guías de onda: la luz emitida en un extremo viaja hasta el otro. En un cristal de 271 micrómetros de largo, el equipo iluminó un extremo con un láser de 405 nanómetros y recogió el brillo guiado en el otro, antes de agrietarlo y después de repararlo. La comparación dio una «eficiencia de reparación» de alrededor del 80 %. En seis cristales de este tipo, osciló entre el 32 % y el 99 %. Las pérdidas procedían de la luz dispersada en la grieta reparada, sobre todo donde faltaban fragmentos.

Un resonador restaurado

Los cristales finos también funcionan como resonadores: sus caras superior e inferior actúan como espejos, de modo que solo ciertos colores de luz se acumulan entre ellas. Cuanto más fino es el cristal, mayor es la separación entre estas resonancias. Un cristal de 31 por 28 micrómetros y 1,8 micrómetros de grosor mostraba resonancias separadas 17,8 nanómetros.

El equipo lo agrietó a lo largo, por la mitad, sin partirlo. En la grieta, las resonancias quedaban fuertemente suprimidas. Tras la reparación, regresaron, con un espectro igual al del cristal intacto. Imágenes de fluorescencia tomadas capa a capa, cada 257 nanómetros, mostraban un tenue rastro de la grieta solo en las capas superiores; por debajo de unos 770 nanómetros, el interior parecía reparado.

Más blando en la costura

Una punta de diamante presionada sobre el cristal con la misma fuerza se hundió 95 nanómetros en las zonas intactas y 115 nanómetros en la reparada. La rigidez de la zona reparada, su módulo de Young, bajó de 2,15 a 1,49 gigapascales, unos dos tercios del original, y su dureza se redujo aproximadamente a la mitad. Aun así, recuperaba en parte su forma al retirar la carga.

¿Qué mantiene unidos los trozos? Los cálculos de las fuerzas entre moléculas apuntan a cadenas continuas de atracción a lo largo de los dos planos de reparación: enlaces de hidrógeno entre moléculas y atracciones dipolares entre capas vecinas, que los autores consideran una de las fuerzas impulsoras.

Los autores insisten en que ningún número aislado resume una eficiencia de reparación: el tamaño del cristal, el tipo de grieta y lo bien que se realinean los trozos cambian el resultado. Su objetivo son componentes ópticos que sobrevivan a los daños: cristales luminosos que, una vez rotos, puedan volver a ponerse en funcionamiento.