Quizás se haya encontrado un estado oculto entre el líquido y el sólido

El vidrio puede parecer un sólido perfectamente ordenado, pero de cerca la disposición caótica de sus partículas se parece más al caos turbulento de un líquido en caída libre que se solidifica con el tiempo.

Los materiales en este estado, conocidos como sólidos amorfos, desafían una explicación fácil. Una nueva investigación que involucra computación y simulación arroja pistas. En particular, sugiere que en algún lugar entre los estados líquido y sólido hay algún tipo de reordenamiento que no sabíamos que existía.

de acuerdo a Los científicos Dimitrios Vragidakis, Mohamed Hashem y Kranthi Mandadapo de la Universidad de California, Berkeley, han encontrado un comportamiento en el límite de temperatura de líquidos y sólidos superenfriados, en el que las partículas estáticas permanecen excitadas y «se contraen» en su lugar.

Estamos bastante familiarizados con tres estados básicos de la materia en la vida cotidiana: sólido, líquido y gaseoso o vapor. Cada uno está definido por las relaciones entre sus moléculas y su entorno.

Cuando uno de estos cambios se convierte en otro (la fusión de un sólido en un líquido o la vaporización de un líquido en un gas, por ejemplo), esto se conoce como metamorfosis.

Pero la materia es algo más compleja que estos tres estados fundamentales. Los átomos pueden calentarse tanto, por ejemplo, que sus cargas se volatilicen para formar plasma. Cuando se enfrían, algunas clases de partículas pueden perder completamente su identidad y fusionarse en una mancha cuántica.

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Sólidos amorfos Es una extraña mezcla de sólidos bien dispuestos y líquidos sueltos. Mientras que las partículas dentro de los sólidos tienden a formar conexiones predecibles con sus vecinas una vez que se fijan en su lugar a temperaturas adecuadamente bajas, los sólidos amorfos tienen una disposición irregular de un líquido.

No está nada claro cómo estas conexiones aparentemente aleatorias se transformaron de corrientes viscosas de moléculas fluidas a un espectáculo estático.

Usando el vidrio como ejemplo más común, sus elementos de oxígeno y silicio fluyen cuando se calientan. Cuando se enfrían lentamente, estas partículas tienen tiempo de formar una estructura cristalina organizada llamada cuarzo. Si se enfrían rápidamente, las moléculas de alguna manera conservan una disposición desordenada; Este es el punto en el que se convierte en un sólido amorfo, y la temperatura a la que esto ocurre es la temperatura inicial.

Vragidakis, Hasim y Mandadapo utilizaron cálculos y simulaciones, junto con resultados de experimentos anteriores, para determinar que esta transición puede no ser muy sutil, ya que se caracteriza por la actividad particular de las partículas entre sus estados líquidos normales y sus estados sobreenfriados.

«Nuestra teoría predice la temperatura inicial medida en sistemas modelo y explica por qué los líquidos muy fríos se comportan a esta temperatura de manera similar a los sólidos, aunque su estructura sea la misma que la de un líquido». mandabo explica.

«La temperatura inicial para la dinámica del vidrio es similar a la temperatura de fusión a la que un líquido sobreenfriado se ‘funde’ en un líquido. Esto debería ser apropiado para todos los líquidos o sistemas de vidrio sobreenfriados».

Aunque el flujo total de átomos en el líquido sobreenfriado es prácticamente nulo, las moléculas cambian constantemente de configuración mientras están atrapadas en su lugar, lo que genera movimientos llamados excitaciones. Los investigadores tratan estas excitaciones en un líquido 2D sobreenfriado como defectos en un sólido cristalino y calculan lo que sucede a medida que cambia la temperatura.

Descubrieron que los pares de excitaciones enlazados dejan de estar correlacionados a la temperatura inicial, lo que hace que el material pierda su solidez y se comporte como un líquido normal.

El equipo cree que su modelo se puede ampliar para comprender cómo funciona la transformación también en tres dimensiones, proporcionando una base teórica para futuros trabajos experimentales.

«Todo el esfuerzo es comprender microscópicamente qué separa un líquido sobreenfriado de un líquido a alta temperatura». Mandabo dice.

«Es fascinante desde el punto de vista de la ciencia básica estudiar por qué estos fluidos sobreenfriados exhiben una dinámica marcadamente diferente a la de los fluidos normales que conocemos».

La investigación ha sido publicada en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.