Toerizan una transición de fase oculta entre líquido y sólido

Investigadores del Berkeley Lab han descubierto un comportamiento molecular en líquidos sobreenfriados que representa una transición de fase oculta entre un líquido y un sólido.

Cualquier cosa hecha de plástico o vidrio se conoce como material amorfo. A diferencia de muchos materiales que se congelan en sólidos cristalinos, los átomos y las moléculas de los materiales amorfos nunca se apilan para formar cristales cuando se enfrían. De hecho, aunque comúnmente pensamos en el plástico y el vidrio como "sólidos", en cambio permanecen en un estado que se describe con mayor precisión como un líquido sobreenfriado que fluye extremadamente lento.

Y aunque estos materiales "dinámicos vítreos" son omnipresentes en nuestra vida diaria, la forma en que se vuelven rígidos a escala microscópica ha eludido a los científicos durante mucho tiempo.

El nuevo enfoque de Berkeley Lab se aplica a materiales ordinarios como plásticos y vidrio, y podría ayudar a los científicos a desarrollar nuevos materiales amorfos para su uso en dispositivos médicos, administración de medicamentos y fabricación aditiva.

Específicamente, utilizando la teoría, simulaciones por computadora y experimentos previos, sus científicos explicaron por qué las moléculas en estos materiales, cuando se enfrían, permanecen desordenadas como un líquido hasta que dan un giro brusco hacia un estado similar al sólido a cierta temperatura llamada temperatura de inicio: efectivamente volviéndose tan viscosos que apenas se mueven. Este inicio de rigidez, una transición de fase previamente desconocida, es lo que separa los líquidos sobreenfriados de los normales.

"Nuestra teoría predice la temperatura de inicio medida en los sistemas modelo y explica por qué el comportamiento de los líquidos sobreenfriados alrededor de esa temperatura recuerda a los sólidos a pesar de que su estructura es la misma que la del líquido", dijo en un comunicado Kranthi Mandadapu, profesor de ingeniería química en la Universidad de California, Berkeley, quien dirigió el trabajo que se publicó en PNAS.

Cualquier líquido sobreenfriado salta continuamente entre múltiples configuraciones de moléculas, lo que resulta en movimientos de partículas localizados conocidos como excitaciones. En su teoría propuesta, Mandadapu, el investigador postdoctoral Dimitrios Fragedakis y el estudiante graduado Muhammad Hasyim trataron las excitaciones en un líquido superenfriado 2D como si fueran defectos en un sólido cristalino.

A medida que la temperatura del líquido sobreenfriado aumentaba hasta la temperatura de inicio, proponen que cada instancia de un par de defectos unidos se dividiera en un par no limitado. Precisamente a esta temperatura, el desprendimiento de los defectos es lo que hizo que el sistema perdiera su rigidez y comenzara a comportarse como un líquido normal.

"La temperatura de inicio para la dinámica vítrea es como una temperatura de fusión que 'derrite' un líquido sobreenfriado en un líquido. Esto debería ser relevante para todos los líquidos sobreenfriados o sistemas vítreos", dijo Mandadapu.

La teoría y las simulaciones capturaron otras propiedades clave de la dinámica vítrea, incluida la observación de que, en cortos períodos de tiempo, algunas partículas se movían mientras el resto del líquido permanecía congelado.

"Toda la búsqueda es comprender microscópicamente qué separa el líquido sobreenfriado y un líquido a alta temperatura", dijo Mandadapu.

Mandadapu y sus colegas creen que podrán extender su modelo a sistemas 3D. También tienen la intención de expandirlo para explicar cómo los movimientos localizados conducen a más excitaciones cercanas que dan como resultado la relajación de todo el líquido. Juntos, estos componentes podrían proporcionar una imagen microscópica consistente de cómo emerge la dinámica vítrea de una manera que se alinea con las observaciones más modernas.

"Desde el punto de vista de la ciencia básica, es fascinante examinar por qué estos líquidos sobreenfriados exhiben dinámicas notablemente diferentes a los líquidos regulares que conocemos", dijo Mandadapu.