Un algoritmo para laberintos en cuasicristales promete revolucionar la investigación atómica

Científicos han logrado crear laberintos complejos utilizando la estructura de un tipo particular de cristal conocido como cuasicristal. Estos son materiales sólidos cuya estructura atómica se organiza de una manera que no repite periódicamente, lo que los diferencia de los cristales convencionales. Aunque estos materiales fueron identificados por primera vez en 1982 por el científico ganador del Premio Nobel de Química del año 2011, Dan Shechtman, su existencia ha generado fascinación debido a sus propiedades únicas y su comportamiento inusual.

Uno de los cuasicristales más conocidos se forma en los alicodécicos, que muestran simetría de orden superior, es decir, poseen un patrón que se repite pero no de manera planar. Esto proporciona una simetría más compleja y menos predecible en comparación con los cristales ordinarios. Si bien los cuasicristales han sido sintetizados artificialmente en laboratorios, solo se ha encontrado una fuente natural en un meteorito descubierto en Rusia en 1985.

Un equipo de investigadores liderado por el físico teórico Félix Flicker, profesor de la Universidad de Bristol, ha desarrollado un algoritmo innovador que puede generar rutas a través de estos cuasicristales, tocando cada átomo solo una vez. Este avance no solo proporciona diagramas impresionantes en forma de laberintos, sino que también tiene potencial para aplicaciones prácticas en varios campos científicos e industriales.

El algoritmo enfrenta un problema conocido en informática como NP-completo, el cual se vuelve exponencialmente más difícil a medida que aumenta la cantidad de átomos en el cuasicristal. Sin embargo, sorprendentemente, los investigadores descubrieron que para ciertos cuasicristales, el problema resultaba ser menos complejo de lo esperado.

“Eso fue muy sorprendente porque se sabe que ese problema en general es esencialmente imposible de resolver, y no parecía haber ninguna simplificación obvia proporcionada por estos cuasicristales, ya que no tienen simetrías traslacionales,” afirma Félix Flicker.

Este avance se podría aplicar en un microscopio de efecto túnel, una técnica de imagen que detecta átomos uno por uno utilizando una punta ultra afilada. Actualmente, crear imágenes complejas, como las de los cuasicristales, puede tomar hasta un mes. Con el nuevo algoritmo, se podría reducir en gran medida ese tiempo, logrando imágenes más rápidas y eficientes.

Los cuasicristales también podrían ser usados para desarrollar catalizadores más eficientes en procesos químicos industriales, potencialmente acelerando reacciones químicas y reduciendo costos de fabricación.

Una de las principales áreas donde los cuasicristales han demostrado su utilidad es en la catalización de reacciones químicas. La estructura compleja de estos materiales permite que los átomos reactivos se alojen en posiciones específicas, facilitando interacciones químicas y mejorando la eficiencia de los catalizadores. Esta propiedad puede reducir los tiempos de reacción y disminuir la cantidad de energía requerida, lo cual es esencial para la sostenibilidad y eficiencia de procesos industriales. Al mejorar las propiedades catalíticas, se ha logrado una mayor economía en la producción de compuestos químicos industriales, lo que a su vez reduce costos de fabricación y aumenta la competitividad.

La utilización de cuasicristales también ha llevado al desarrollo de nuevas aleaciones y materiales compuestos con propiedades únicas, como alta dureza, baja fricción y resistencia a la corrosión. Estas características son especialmente valiosas en aplicaciones que requieren materiales duraderos y confiables bajo condiciones extremas. Por ejemplo, en la industria aeronáutica y aeroespacial, los componentes fabricados con cuasicristales pueden resistir temperaturas elevadas y agresivos ambientes químicos, prolongando la vida útil de las piezas y disminuyendo los costos de mantenimiento.

Otra importante aplicación de los cuasicristales se encuentra en los revestimientos protectores. Gracias a su resistencia a la corrosión y a la abrasión, los cuasicristales se utilizan en el recubrimiento de superficies metálicas expuestas a condiciones adversas. Esto es particularmente relevante en la industria química, donde los equipos y recipientes suelen estar en contacto con sustancias agresivas que pueden deteriorar rápidamente los materiales convencionales.

La integración de algoritmos en el estudio de cuasicristales, como el desarrollado por Félix Flicker y su equipo, ha permitido avances en la microscopía de efecto túnel, una técnica de análisis a nivel atómico. Los cuasicristales, debido a su estructura no periódica, presentan un desafío para las técnicas de imagen tradicionales. No obstante, la creación de rutas eficientes por medio de algoritmos avanzados ha incrementado la resolución y velocidad de obtención de imágenes, facilitando la identificación y estudio de átomos en estos materiales.