Durante décadas, los científicos han intentado dominar el arte de hacer crecer cristales perfectos, un requisito esencial para mejorar la eficiencia de LEDs, paneles solares y sensores ópticos. Hoy, un equipo de la Universidad Estatal de Míchigan (MSU) parece haber encontrado la clave: usar la luz como instrumento de creación. Con un único pulso láser y nanopartículas de oro como catalizadores, los investigadores han demostrado que los cristales pueden formarse de manera instantánea, precisa y controlada. 

Detrás de este avance se encuentra el grupo liderado por el profesor Elad Harel, del Departamento de Química de la MSU, especializado en el uso de láseres de femtosegundos para investigar procesos dinámicos en la materia. Su equipo ha logrado controlar con precisión espacial y temporal el nacimiento de un cristal, observando además su formación en tiempo real.

“Estamos apenas empezando a arañar la superficie de lo que es posible”, afirma Harel. “Este descubrimiento abre un nuevo capítulo en la forma en que diseñamos y estudiamos materiales.”

Cristales y optoelectrónica

Desde las pantallas de televisión, los sensores de humo y los equipos de ultrasonido hasta las células solares y los diodos emisores de luz (LED), las propiedades ópticas y electrónicas de los materiales cristalinos constituyen la base de gran parte de la tecnología moderna.

El secreto está en la estructura ordenada de sus átomos, que determina cómo la materia interactúa con la luz y la electricidad. Esa estructura define la transparencia de un cristal, su capacidad para guiar fotones, su conductividad o su eficiencia en convertir energía lumínica en eléctrica, y viceversa.

Sin embargo, el crecimiento de cristales de alta calidad ha sido históricamente una tarea compleja y, en muchos casos, impredecible. Los métodos convencionales, como la cristalización por evaporación lenta, enfriamiento controlado o siembra con cristales preexistentes, pueden tardar horas, días o incluso semanas, y los resultados no siempre son reproducibles.

“Cuando se utilizan métodos tradicionales, los cristales pueden formarse en lugares y momentos aleatorios, por lo que los resultados no siempre son los mismos”, explica Harel. “En aplicaciones avanzadas, donde se requiere un cristal de pureza y tamaño exactos en una ubicación específica, esa falta de control representa un obstáculo enorme”.

Un reto que la luz podría resolver

Para superar ese problema, el grupo de Harel recurrió a su campo de especialización: la fotónica ultrarrápida, una disciplina que utiliza pulsos láser de duraciones extremadamente cortas —del orden de los femtosegundos, o una milmillonésima de segundo— para estudiar y manipular la materia.

En lugar de seguir las rutas convencionales de cristalización química, el grupo de la Universidad Estatal de Míchigan optó por una estrategia completamente diferente. Utilizaron nanopartículas de oro, diminutas esferas metálicas con un diámetro inferior a una milésima parte del grosor de un cabello humano, y las irradiaron con un único pulso de láser. Ese impacto lumínico desencadenó la formación controlada de cristales de perovskita de haluro de plomo, materiales esenciales en la fabricación de LEDs, células solares e instrumentos de imagen médica.

A diferencia de los métodos tradicionales —que requieren largos procesos de nucleación o el uso de cristales “semilla” para iniciar el crecimiento—, esta técnica se basa en un principio radicalmente más directo: apuntar el láser hacia un minúsculo blanco brillante, las nanopartículas de oro, y dejar que la luz haga el resto.

Los investigadores comprobaron que las nanopartículas absorbían la energía del láser y generaban calor localizado justo en el punto de incidencia, lo que inducía la cristalización del material circundante. Gracias al uso de microscopios de alta velocidad, el equipo pudo observar en tiempo real cómo nacía y evolucionaba el cristal, capturando un proceso que hasta ahora permanecía oculto a la mirada científica.

Del mismo modo que un láser puede grabar motivos artísticos sobre metal o madera, este enfoque permite “dibujar” cristales con una precisión espacial sin precedentes. Se trata de un nivel de control que podría transformar ámbitos tan diversos como la energía limpia, la iluminación avanzada o las tecnologías cuánticas emergentes. Además, el hallazgo amplía de forma significativa nuestra comprensión de los mecanismos fundamentales de la cristalización, uno de los procesos más complejos y menos previsibles de la química moderna.

“Con este método podemos esencialmente hacer crecer cristales en ubicaciones y momentos exactos”, explica Md Shahjahan, investigadora asociada de la MSU y primera autora del estudio. “Es como tener un asiento en primera fila para presenciar los primeros instantes de vida de un cristal bajo el microscopio, pero con la ventaja de poder dirigir cómo se desarrolla.”

Futuros desarrollos

Con las nanopartículas de oro situadas ahora en el centro de su investigación, el equipo de Elad Harel se prepara para una nueva fase experimental con un enorme potencial de desarrollo. Los próximos trabajos buscarán llevar la técnica a un nuevo nivel de complejidad, explorando el uso de múltiples láseres de diferentes longitudes de onda para “dibujar” patrones cristalinos aún más sofisticados y tridimensionales.

El objetivo es doble: por un lado, ampliar el control espacial sobre el crecimiento de los cristales, y por otro, crear materiales completamente nuevos, imposibles de obtener mediante los métodos químicos convencionales de síntesis o deposición. Estas futuras líneas de investigación podrían abrir la puerta a una nueva generación de estructuras fotónicas personalizadas, adaptadas a aplicaciones concretas en iluminación, optoelectrónica o tecnologías cuánticas.

“Ahora que somos capaces de ‘dibujar’ cristales con láser, el siguiente paso es fabricar patrones más grandes y complejos, y evaluar cómo se comportan estos cristales dentro de dispositivos reales”, explica Harel. “Solo entonces podremos comprender plenamente el alcance de lo que esta técnica puede ofrecer a la ciencia de materiales.”

Puede acceder al paper completo de la investigación a través del siguiente enlace:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c12057

Créditos de Imagen de portada: Paul Henderson, Finn Gomez / Facultad de Ciencias Naturales