Los físicos revelan un misterio: ¿Por qué existe el vidrio?
Durante décadas, los científicos han esperado encontrar o crear un "vidrio ideal", un espécimen perfecto que ayudaría a explicar las propiedades de este misterioso sólido amorfo.
En 2008, Miguel Ramos leyó en el periódico que a pocas horas en coche de Madrid se había encontrado un trozo de ámbar de 110 millones de años, donde vivían insectos primitivos del Mesozoico. Ramos, físico especializado en vidrio, lleva años deseando tener en sus manos el ámbar antiguo. Se puso en contacto con los paleontólogos que trabajaban en el sitio y lo invitaron a visitarlo.
"Me dieron muestras claras que no necesitaban", afirmó. "No hay insectos interesantes ni nada parecido en el ámbar... pero son perfectos para mí".
Durante los siguientes años, Ramos trabajó intermitentemente con medidas de vidrio antiguo. Esperaba que, después de envejecer durante tanto tiempo, la goma fosilizada pudiera aproximarse a una forma hipotética de una sustancia conocida como vidrio ideal.
Los físicos llevan mucho tiempo soñando con un sólido amorfo tan perfecto. Deseaban el vidrio ideal, no por sí mismo (aunque tenía propiedades únicas y muy útiles), sino porque su existencia resolvería un profundo misterio. Cada ventana, cada espejo, cada trozo de plástico, cada caramelo duro, incluso el citoplasma de cada célula, constituye un misterio. Técnicamente, todos estos materiales son vidrios porque el vidrio es sólido y rígido pero está hecho de moléculas desordenadas, como las de los líquidos. El vidrio es un líquido en suspensión, un líquido cuyas moléculas son extrañamente incapaces de fluir. El vidrio ideal, si existiera, nos diría por qué.
Lo inconveniente es que el vidrio ideal tardaría mucho en formarse, y es posible que no se haya formado en toda la historia del universo. Los físicos sólo pueden buscar evidencia indirecta de que esto sería así en un tiempo infinito. Ramos, físico experimental de la Universidad Autónoma de Madrid, espera que después de 110 millones de años de envejecimiento, el ámbar de España haya comenzado a mostrar su brillo perfecto. Si es así, podría descubrir qué hacen las moléculas del vidrio ordinario aunque parezcan no hacer nada.
Las mediciones del ámbar realizadas por Ramos fueron parte de un aumento de interés en el vidrio ideal. En los últimos años, nuevos métodos para fabricar vidrio y simularlo en computadoras han logrado avances inesperados. En los últimos años, nuevos métodos de fabricación de vidrio y métodos de simulación por computadora han dado lugar a avances inesperados. Surgieron algunas pistas importantes sobre las propiedades del vidrio ideal y su conexión con el vidrio ordinario. Estos estudios proporcionan un nuevo apoyo a la hipótesis de la existencia de un estado vítreo ideal.
Cuando se enfría un líquido, este cristaliza o se endurece formando vidrio. Cuál de las dos cosas sucede depende de la sustancia y las sutilezas del proceso, que los sopladores de vidrio han aprendido durante miles de años de prueba y error. Para ellos, evitar la cristalización es un arte oscuro.
Las dos situaciones son muy diferentes.
La cristalización es una transición dramática de una fase líquida, en la que las moléculas están desordenadas y fluyen libremente, a una fase cristalina, en la que las moléculas están encerradas en un patrón regular y repetitivo. Por ejemplo, el agua se congela hasta convertirse en hielo a 0 grados Celsius porque a esta temperatura, las moléculas de agua dejan de temblar lo suficiente como para sentir la fuerza de las demás y caen en un estado bloqueado.
Otros líquidos se convierten en vidrio más fácilmente a medida que se enfrían. Por ejemplo, la sílice (vidrio de ventana) comienza como un líquido fundido a temperaturas muy superiores a los 1.000 grados centígrados; a medida que se enfría, sus moléculas desordenadas se encogen ligeramente, apretándose más entre sí, lo que hace que el líquido se vuelva cada vez más viscoso. Al final, las moléculas dejan de moverse por completo. Durante esta transición vítrea gradual, las moléculas no se recombinan. Simplemente se detienen lentamente.
Se desconoce la razón exacta por la que el refrigerante se endurece. Si las moléculas en el vidrio simplemente están demasiado frías para fluir, aún debería ser posible comprimirlas en nuevas disposiciones. Sin embargo, el vidrio no se aplasta y su mezcla de moléculas es realmente rígida, a pesar de parecerse a las de un líquido. Camille Scalliet, teórica del vidrio de la Universidad de Cambridge, explica: "Los líquidos y los vasos tienen la misma estructura pero se comportan de manera diferente. La clave es entender esto.
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En 1948, un joven químico llamado Walter Kauzmann descubrió la llamada crisis de entropía, una paradoja similar al vidrio. Más tarde, los investigadores se dieron cuenta de que el vidrio ideal parecería resolver este problema paradójico. >
Kautzman sabía que cuanto más lento se enfriaba el líquido, más rápido se enfriaba antes de transformarse en vidrio. El vidrio que se forma más lentamente termina siendo más denso y estable porque sus moléculas tardan más en moverse (mientras que el líquido). todavía viscoso) y encontrar una disposición más estrecha y de menor energía, según muestran las mediciones. También hubo una disminución correspondiente en la entropía, o desorden, en relación con el vidrio de formación más lenta: las moléculas estaban menos alineadas en la misma forma de baja energía. /p>
Basándose en esta tendencia, Kautzman se dio cuenta de que, si se enfriaba, el líquido era lo suficientemente lento como para poder enfriarse hasta una temperatura que ahora se conoce como "temperatura de Kautzmann" antes de endurecerse por completo. La entropía del vidrio resultante sería tan baja como la del cristal. Pero los cristales son estructuras ordenadas y ordenadas, y el vidrio está desordenado por definición. ¿Cómo puede tener el mismo orden? , lo que significa que algo especial debe suceder a la temperatura de Zemann. Si un líquido, después de alcanzar esa temperatura, alcanza el estado vítreo ideal, un estado de empaquetamiento aleatorio de las moléculas más densas, entonces este estado puede evitarse durante mucho tiempo. Orden amorfo de rango, donde cada molécula detecta y afecta la posición de otras moléculas, por lo que para moverse, deben moverse como una unidad. El orden de largo alcance oculto en este estado imaginario se puede comparar con el orden más obvio de los cristales ". Este descubrimiento es la razón por la que la gente piensa que debería haber gafas ideales", dice el físico químico Mark Ediger de la Universidad de Wisconsin-Madison. ”
Según esta teoría, propuesta por primera vez por Julian Gibbs y Edmund DiMarzio en 1958, el vidrio ideal es una fase de sustancia real, similar a las fases líquida y cristalina. La transición a esta etapa lleva demasiado tiempo y requiere demasiado lentitud. Un proceso de enfriamiento, por lo que los científicos nunca lo han considerado ideal, dice Daniel Stein, físico de materia condensada de la Universidad de Nueva York. La transición vítrea está "enmascarada" porque el líquido se vuelve "muy viscoso y todo queda bloqueado", dijo Stein: " Es un poco como mirar a través de un cristal en la oscuridad. No podemos encontrarlo (vidrio ideal) ni podemos verlo. Pero, en teoría, podemos intentar construir un modelo preciso de lo que sucede allí. ”
El experimento trajo una ayuda inesperada. Nunca hubo ninguna esperanza de formar el vidrio ideal enfriando el líquido, que es el método de fabricación de vidrio que los humanos han utilizado durante miles de años para prevenir el deterioro. El líquido llega a la prueba. Para endurecerse antes de la temperatura Zman, hay que enfriar el líquido muy lentamente, quizás infinitamente lento. Pero en 2007, Ediger, un físico de Wisconsin, desarrolló un nuevo método para fabricar vidrio. para hacer vidrio denso y casi ideal, que es una ruta completamente diferente.
Ediger y su equipo descubrieron que podían crear un “vidrio ultraestable” que estaba entre lo ordinario y lo ideal. Utilizaron un método llamado deposición de vapor para combinar moléculas. Una gota tras otra se deja caer sobre la superficie. como un juego de Tetris, permitiendo que cada molécula se adhiera firmemente al vidrio que se está formando antes de que caiga la siguiente molécula. El vidrio resultante es más grande que cualquier otro en la historia de la humanidad. El vidrio es más denso, más estable y tiene menor entropía. propiedades que se esperarían si se tomara un líquido y se lo enfriara en el transcurso de un millón de años", dijo Ediger. ”
Otra propiedad del vidrio ultraestable que finalmente revelará la hoja de ruta más prometedora hacia el vidrio ideal.
En 2014, fue descubierta por Miguel Ramos de Madrid. Esta propiedad fue descubierta por Los físicos saben desde hace décadas que los vidrios ultrafríos poseen propiedades comunes a todos los vidrios comunes. , es decir, la cantidad de calor necesaria para aumentar su temperatura.
El vidrio puede absorber más calor que el cristal a temperaturas cercanas al cero absoluto y su capacidad calorífica es proporcional a la temperatura.
Los teóricos, incluido el respetado físico de la materia condensada Phil Anderson, ganador del Premio Nobel, propusieron una explicación a principios de la década de 1970. Creen que el vidrio contiene muchos "sistemas de dos niveles", pequeños grupos de átomos o moléculas que pueden deslizarse hacia adelante y hacia atrás entre dos configuraciones alternativas igualmente estables. "Se puede imaginar toda una cadena de átomos cambiando de una configuración a una configuración muy diferente que no existe en los materiales cristalinos", dijo Frances Hellman de la Universidad de California, Berkeley. "
Aunque los átomos o. Las moléculas están demasiado unidas por sus vecinas para realizar muchas transformaciones por sí solas, a temperatura ambiente el calor activa el sistema de dos niveles, proporcionando a los átomos la energía necesaria para moverse. Esta actividad disminuye gradualmente a medida que baja la temperatura del vidrio. Pero cerca del cero absoluto, los efectos cuánticos se vuelven muy importantes: grupos de átomos en el vidrio pueden hacer un "tunel" mecánicamente entre dos configuraciones diferentes, directamente a través de cualquier obstáculo, e incluso en dos niveles de energía están ocupados simultáneamente en un sistema de dos niveles. El túnel absorbe una gran cantidad de calor, creando la alta capacidad térmica característica del vidrio.
Unos años después de que Ediger encontrara una manera de fabricar vidrio ultraestable, el grupo de Heilman en Berkeley y el grupo de Ramos en Madrid se propusieron investigar si el vidrio se desviaría de las condiciones térmicas predominantes cercanas al cero absoluto. Permitir. En sus respectivos experimentos, estudiaron las propiedades a baja temperatura del silicio ultraestable y de la indometacina ultraestable, una sustancia química que también se utiliza como fármaco antiinflamatorio. Efectivamente, descubrieron que ambos vidrios tenían capacidades caloríficas mucho más bajas que el típico cero absoluto, comparables a las de los cristales. Esto sugiere que los vidrios ultraestables tienen menos túneles entre los dos sistemas de niveles de energía. Estas moléculas son extremadamente compactas y tienen pocos competidores.
Si la capacidad calorífica anormalmente baja del vidrio ultraestable realmente proviene de menos sistemas de dos niveles, entonces el vidrio ideal correspondería naturalmente a un estado sin ningún sistema de dos niveles. "De alguna manera está exactamente en el lugar donde todos los átomos están desordenados, no tiene estructura cristalina, pero nada se mueve", dijo David Reichman, teórico de la Universidad de Columbia. Además, lo que impulsa este ordenamiento amorfo ideal de largo alcance. El estado es que cada molécula afecta la posición de todas las demás moléculas, lo que puede ser lo que hace que los líquidos se endurezcan y formen el vidrio que vemos a nuestro alrededor.
Cuando un líquido se convierte en vaso, en realidad está intentando transformarse en una fase vítrea ideal, que es atraída por la atracción fundamental del orden de largo alcance. El vidrio ideal es el punto final, pero cuando las moléculas intentan agruparse, se pegan y la viscosidad creciente impide que el sistema alcance su estado ideal.
Recientemente se han utilizado innovadoras simulaciones por ordenador para probar estas ideas. Simular gafas ultraestables en el ordenador no ha sido factible en el pasado debido a la enorme cantidad de tiempo de cálculo necesario para simular la unión de las moléculas. Sin embargo, hace dos años un truco aceleró el proceso de cálculo un billón de veces. Este algoritmo selecciona dos partículas al azar e intercambia sus posiciones. Estos batidos ayudan a que el líquido simulado se mantenga suelto, lo que permite que las moléculas se estabilicen y adquieran una forma más adaptable.
En un artículo publicado en Physical Review Letters, los coautores informan que cuanto más estable es el vidrio simulado, menos sistemas de dos niveles tiene. Al igual que con las mediciones de la capacidad calorífica de Hermann y Ramos, las simulaciones por computadora mostraron que la configuración de las poblaciones moleculares en competencia de los dos sistemas de niveles de energía era la fuente de la entropía del vidrio. Cuantos menos estados alternativos, más fuerte será la estabilidad y el orden de largo plazo del estado amorfo, y más cerca estará del estado ideal.
En 2014, Ramos y sus colaboradores publicaron su comparación de muestras antiguas y "rejuvenecidas" de vidrio amarillo en Physical Review Letters. Descubrieron que la densidad del ámbar de 110 millones de años aumentó aproximadamente un 2%, lo que corresponde al vidrio ultraestable. Esto debería indicar que el ámbar se ha estabilizado con el tiempo, a medida que pequeños grupos de moléculas se deslizaron hacia disposiciones de menor energía, una tras otra.
Pero cuando el equipo de Madrid enfrió el antiguo vidrio hasta casi el cero absoluto y midió su capacidad calorífica, los resultados contaron una historia diferente. El ámbar envejecido, el ámbar nuevo y todos los demás vidrios comunes tienen una alta capacidad calorífica. Sus moléculas parecen estar haciendo túneles entre tantos sistemas de dos niveles como de costumbre.
¿Por qué el número de sistemas de dos niveles no disminuyó con el tiempo a medida que el ámbar se estabilizó y aumentó en densidad? Los hallazgos son inconsistentes con esto.
"Realmente disfruté experimentando con el ámbar, pero el proceso de hacer vidrio de color ámbar era un poco confuso", dijo Ediger, el inventor del método de deposición de vapor. "Es básicamente goma que cambia químicamente con el tiempo y se solidifica con el tiempo". Él cree que las impurezas en el ámbar español pueden haber contaminado las mediciones de la capacidad calorífica.
Los investigadores planean realizar más experimentos con ámbar y con vidrios simulados y fabricados en laboratorio, con la esperanza de descubrir más detalles del sistema de dos niveles y acercarse al estado ideal hipotético. Lakeman señala que quizá nunca sea posible demostrar su existencia con total certeza. Quizás algún día sepamos, al menos en una computadora, cómo empaquetar partículas con precisión en el vidrio ideal que estamos buscando. Pero tendremos que esperar mucho tiempo para ver si se mantiene estable.