Una estructura geométrica de nudos, repetitivamente presente en diferentes ámbitos de la naturaleza, ha sido identificada también en nanopartículas ferroeléctricas, materiales prometedores en aplicaciones para la microelectrónica y la computación.
Esta estructura, que los científicos llaman Hopfion, se manifiesta en rincones inesperados del universo, que van desde la física de partículas hasta la biología y la cosmología. Al igual que la espiral de Fibonacci y la proporción áurea, el patrón Hopfion une diferentes campos científicos, y una comprensión más profunda de su estructura e influencia ayudará a los científicos a desarrollar tecnologías transformadoras.
En un estudio teórico reciente, científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de Estados Unidos, en colaboración con la Universidad de Picardie en Francia y la Universidad Federal del Sur en Rusia, descubrieron la presencia de la estructura Hopfion en nanopartículas ferroeléctricas.
La identificación de la estructura de Hopfion en las nanopartículas contribuye a un patrón sorprendente en la arquitectura de la naturaleza a diferentes escalas, y la nueva información podría informar a los modelos de materiales ferroeléctricos para el desarrollo tecnológico, según los autores del estudio.
Los materiales ferroeléctricos tienen la capacidad única de cambiar la dirección de su polarización eléctrica interna (el ligero cambio relativo de carga positiva y negativa en direcciones opuestas) cuando están influenciados por campos eléctricos. Los ferroeléctricos pueden incluso expandirse o contraerse en presencia de un campo eléctrico, lo que los hace útiles para tecnologías donde la energía se convierte entre mecánica y eléctrica.
En este estudio, los científicos utilizaron conceptos topológicos fundamentales con nuevas simulaciones por computadora para investigar el comportamiento a pequeña escala de las nanopartículas ferroeléctricas. Descubrieron que la polarización de las nanopartículas adquiere la estructura anudada de Hopfion presente en reinos aparentemente dispares del universo.
"Las líneas de polarización que se entrelazan en una estructura Hopfion pueden dar lugar a las útiles propiedades electrónicas del material, abriendo nuevas rutas para el diseño de dispositivos de almacenamiento de energía y sistemas de información basados en energía ferroeléctrica", dijo Valerii Vinokur, científico senior y miembro distinguido de la División de Ciencias de los Materiales en Argonne. "El descubrimiento también destaca una tendencia repetida en muchas áreas de la ciencia".
Una estructura topológica de Hopfion, propuesta por primera vez por el matemático austríaco Heinz Hopf en 1931, emerge en una amplia gama de construcciones físicas, pero rara vez se explora en la ciencia convencional. Una de sus características definitorias es que dos líneas dentro de la estructura Hopfion deben estar unidas, constituyendo nudos que varían en complejidad desde unos pocos anillos interconectados hasta un 'nido matemático de ratas'.
"El Hopfion es un concepto matemático muy abstracto", dijo Vinokur, "pero la estructura se muestra en hidrodinámica, electrodinámica e incluso en el empaquetamiento de moléculas de ADN y ARN en sistemas biológicos y virus".
En hidrodinámica, el Hopfion aparece en las trayectorias de partículas líquidas que fluyen dentro de una esfera. Con la fricción descuidada, los caminos de las partículas líquidas incompresibles están entrelazados y conectados. Las teorías cosmológicas también reflejan los patrones de Hopfion. Algunas hipótesis sugieren que los caminos de cada partícula en el universo se entrelazan de la misma manera Hopfion que las partículas líquidas en una esfera.
Según el estudio actual, la estructura de polarización en una nanopartícula ferroeléctrica esférica adquiere este mismo remolino anudado.
