Orden cristalino y amorfo dependiente de la orientación en un sólido monofásico

Cuando el orden y el desorden conviven

La mayoría de los materiales que nos rodean encajan en dos categorías claras: cristales, donde los átomos se alinean en patrones repetitivos como baldosas en el suelo, y vidrios, donde los átomos están revueltos como un líquido congelado. Este estudio revela algo sorprendente en el intermedio: un sólido que es semejante a un vidrio en dos direcciones pero parecido a un cristal en la tercera. Esa mezcla inusual de orden y desorden podría cambiar la forma en que pensamos sobre materiales cotidianos, desde baterías hasta chips de ordenador, y sobre cómo los diseñamos desde el nivel atómico hacia arriba.

Un nuevo tipo de rompecabezas atómico

Los cristales se definen por su orden de largo alcance: si conoces la posición de unos pocos átomos, puedes predecir la de muchos más. Los materiales amorfos, como el vidrio de una ventana, carecen de ese orden repetitivo, aunque los átomos mantienen cierta separación regular con sus vecinos más cercanos. Durante décadas, los científicos han debatido cómo describir la zona “intermedia” del orden de rango medio, donde el patrón se extiende a unas pocas unidades atómicas pero no hasta el infinito. Los autores de este trabajo adoptan otra perspectiva: en lugar de preguntarse si un material entero es ordenado o desordenado, plantean si diferentes direcciones dentro del mismo sólido pueden comportarse de forma distinta.

Varillas en capas con un patrón oculto

El equipo creó películas finas compuestas por diminutas varillas que contienen niobio, tungsteno y oxígeno (Nb–W–O) mediante deposición por láser pulsado, una técnica que dispara ráfagas breves de energía sobre un blanco cerámico para crecer material sobre una superficie cristalina. Al elegir un material base cristalino bien conocido, el titanado de estroncio, cortado según distintas caras, pudieron controlar cómo crecían las varillas de Nb–W–O. Imágenes de microscopía electrónica mostraron que dentro de cada varilla los átomos en una sola capa se disponen de forma desordenada, semejante a un vidrio, en el plano. Sin embargo, cuando los investigadores observaron en la dirección perpendicular, vieron que esas capas desordenadas se apilaban con espaciamientos casi perfectos y regulares a lo largo de cientos de capas atómicas: un cristal construido a partir de láminas vidriosas.

Ver el azar de cerca

Para evaluar cuán aleatorias eran realmente las capas, los investigadores combinaron varias sondas potentes. Imágenes de microscopía electrónica de alta resolución, junto con sus transformadas de Fourier, no mostraron un patrón repetitivo en el plano de cada capa, confirmando la falta de orden de largo alcance. Mediciones de la función de distribución de pares, que trazan las distancias típicas entre átomos, revelaron picos nítidos solo a distancias muy cortas, lo que indica que los átomos aún forman bloques básicos—unidades octaédricas en las que un átomo metálico está rodeado por átomos de oxígeno—pero que cualquier patrón repetitivo mayor se desvanece rápidamente. Técnicas avanzadas de absorción de rayos X confirmaron que el niobio y el tungsteno ocupan estos octaedros distorsionados, mientras que mapas químicos mostraron que los átomos de niobio y tungsteno están mezclados sin un patrón regular a lo largo de la capa.

Láminas vidriosas apiladas que se comportan como un cristal

Aunque cada capa está estructuralmente desordenada en su propio plano, su apilamiento vertical dista mucho de ser aleatorio. Mapeo del espacio recíproco tridimensional con rayos X de sincrotrón, un método que transforma patrones de dispersión en una especie de huella dactilar del orden atómico, reveló características en forma de capas que coinciden con simulaciones de capas amorfas apiladas periódicamente. Dependiendo de cómo esté orientado el titanado de estroncio subyacente, las varillas crecen en una, dos o tres direcciones preferentes, pero en todos los casos la separación entre las capas es casi la misma y está fuertemente vinculada al espaciado del cristal sustrato. En otras palabras, el cristal base actúa como una regla rígida, forzando a que las capas de tipo vítreo se amontonen con regularidad cristalina a lo largo de un eje principal, aunque sigan desordenadas en sentido lateral.

Por qué importa esta zona fronteriza

Este material inusual demuestra que la línea divisoria habitual entre cristal y vidrio no depende solo de cuánto se extiende el orden, sino también de en qué direcciones se observa. Dentro de un mismo sólido, los átomos pueden formar una red aleatoria continua en dos dimensiones mientras se organizan en un ritmo perfecto en la tercera. Esa idea ofrece a los científicos un nuevo terreno para afinar propiedades: se pueden imaginar materiales donde la conducción eléctrica, el movimiento de iones o la resistencia mecánica sean altamente direccionales porque el orden y el desorden coexisten de modo controlado. Más allá de este óxido de niobio–tungsteno en particular, el trabajo ofrece una plataforma para explorar y modelar pilas de materia amorfa bidimensional, ayudando a refinar cómo describimos, medimos y, en última instancia, diseñamos sólidos que se sitúan entre los mundos familiares de los cristales y los vidrios.

Cita: Xia, R., Li, J., Birkhölzer, Y.A. et al. Orientation-dependent mutual crystalline and amorphous order in a single phase solid. Nat Commun 17, 2646 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69359-3

Palabras clave: materiales amorfos, orden cristalino, óxido de niobio y tungsteno, nanovarillas en película delgada, estructura atómica