Ni líquido ni sólido: descubren un estado intermedio y desconocido de la materia

Todo lo que esté hecho de plástico o vidrio se conoce como material amorfo: aunque comúnmente pensamos que el plástico y el vidrio son “sólidos”, en cambio permanecen en un estado que a escala microscópica se observa como un líquido sobreenfriado, que fluye con extrema lentitud. Al estudiar ese proceso, los investigadores han descubierto que, en algún lugar entre los estados líquido y sólido, se concreta un tipo de reordenamiento de la materia que no sabíamos que existía.

Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), del Departamento de Energía de Estados Unidos, han identificado un comportamiento molecular en líquidos sobreenfriados que representa una transición de fase oculta entre un líquido y un sólido. El hallazgo no solo arroja luz sobre comportamientos desconocidos de materiales amorfos como el plástico o el vidrio, sino que además podría permitir el desarrollo de nuevos materiales, con aplicación en dispositivos médicos, administración de fármacos y muchas otras áreas.

En un nuevo estudio publicado recientemente en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), los científicos han determinado que existe un comportamiento en el límite de temperatura de líquidos y sólidos superenfriados, donde las partículas estáticas permanecen excitadas, "moviéndose" en su lugar.

Una transición desconocida

Este fenómeno es común a todos los materiales conocidos como amorfos, como el caso del plástico y el vidrio. Al ser materiales de uso cotidiano, que a simple vista y al tacto se aprecian como sólidos, en realidad se desconoce que estos materiales amorfos muestran bajo determinadas condiciones y a una escala microscópica una composición diferente: algunas partes sólidas se combinan con otras que se mantienen en forma líquida, pero con un movimiento tan lento que es imposible de apreciar o registrar solamente con nuestros sentidos.

Combinando teoría, simulaciones por ordenador y experimentos previos, los investigadores explicaron por qué las moléculas de estos materiales, cuando se enfrían en extremo, permanecen desordenadas como un líquido hasta dar un giro brusco hacia un estado sólido a una cierta temperatura, llamada temperatura de inicio. En ese momento, se vuelven tan viscosos que apenas se mueven. Esta súbita rigidez, que marca una transición de fase previamente desconocida, es lo que separa a los líquidos sobreenfriados de los normales.

"Nuestra teoría predice la temperatura inicial medida en sistemas modelo y explica por qué el comportamiento de los líquidos superenfriados alrededor de esa temperatura recuerda al de los sólidos, aunque su estructura es la misma que la del líquido. El objetivo es comprender microscópicamente qué separa el líquido sobreenfriado de un líquido a alta temperatura: es fascinante examinar por qué estos líquidos sobreenfriados exhiben una dinámica notablemente diferente a la de los líquidos normales que conocemos”, indicó en una nota de prensa el científico Kranthi Mandadapu, líder del equipo de investigación.

Nueva explicación y nuevos materiales

Según un artículo publicado en Science Alert, los sólidos amorfos son mezclas extrañas de sólidos bien ordenados y líquidos poco unidos. Mientras que las partículas dentro de los materiales sólidos convencionales tienden a formar conexiones predecibles con sus vecinas, una vez que se fijan en un lugar determinado y a ciertas temperaturas extremadamente bajas, los sólidos amorfos tienen la disposición desordenada de un líquido. De esta manera, la ciencia no había logrado explicar hasta ahora al detalle cómo estas conexiones aparentemente fortuitas pasan de corrientes viscosas de moléculas fluidas a un paisaje estático, que se aprecia claramente como un sólido.

La nueva investigación no solo avanza en esa explicación, sino que además podría ser un primer paso para desarrollar nuevos materiales. Aunque el estudio se desarrolló con ejemplos bidimensionales, Mandadapu y sus colegas creen que podrán extender su modelo a sistemas 3D. De esta manera, lograrían explicar con máxima precisión la transición de fase que marca a los materiales amorfos como el plástico y el vidrio y, al mismo tiempo, podrían iniciar el camino para la creación de nuevos materiales, con una enorme cantidad de aplicaciones.

Referencia

Inherent-state melting and the onset of glassy dynamics in two-dimensional supercooled liquids. Dimitrios Fraggedakis, Muhammad R. Hasyim and Kranthi K. Mandadapu. PNAS (2023). DOI:https://doi.org/10.1073/pnas.2209144120