Amplíe un cristal y encontrará una matriz ordenada de átomos, espaciados uniformemente como las ventanas del Empire State Building. Pero amplíe un trozo de vidrio y la imagen se verá un poco más desordenada, más como una imagen aleatoriamontón de arena, o quizás las ventanas de un edificio de Frank Gehry.
La naturaleza altamente ordenada de los cristales hace que sean bastante fáciles de entender matemáticamente, y los físicos han desarrollado teorías que capturan todo tipo de propiedades de los cristales, desde cómo absorben el calor hasta qué sucede cuando se rompen.
Pero no se puede decir lo mismo de los materiales vidriosos, amorfos o "desordenados" como el vidrio de nuestras ventanas y jarrones, alimentos congelados y ciertos plásticos. No existen teorías ampliamente aceptadas para explicar su comportamiento físico.
Durante casi 30 años, los físicos han debatido si una transición de fase misteriosa, presente en modelos teóricos de materiales desordenados, también podría existir en gafas de la vida real. Con la ayuda de algunos hechiceros matemáticos tomados de la física de partículas, además de docenas de páginasde cálculos algebraicos, todos hechos a mano: el becario postdoctoral de la Universidad de Duke, Sho Yaida, ha aclarado este misterio.
Los conocimientos de Yaida abren la posibilidad de que algunos tipos de vidrio puedan existir en un nuevo estado de la materia a bajas temperaturas, lo que influye en cómo responden al calor, el sonido y el estrés, y cómo y cuándo se rompen.
"Encontramos indicios de la transición que no nos atrevimos a decir que fueran evidencia de la transición porque parte de la comunidad dijo que no podía existir", dijo Patrick Charbonneau, profesor asociado de química en Duke y el asesor de Yaida.Sho demuestra que puede existir ".
Por increíble que parezca, dijo Charbonneau, las matemáticas detrás de las gafas y otros sistemas desordenados son en realidad mucho más fáciles de resolver asumiendo que estos materiales existen en un universo hipotético de dimensión infinita. En dimensiones infinitas, sus propiedades se pueden calcularrelativamente fácil, muy parecido a cómo se pueden calcular las propiedades de los cristales para nuestro universo tridimensional.
"La pregunta es si este modelo tiene alguna relevancia para el mundo real". Dijo Charbonneau. Para los investigadores que llevaron a cabo estos cálculos, "la apuesta era que, a medida que cambias de dimensión, las cosas cambian lo suficientemente lento como para que puedas ver cómomorph a medida que pasa de un número infinito de dimensiones a tres ", dijo.
Una característica de estos cálculos de dimensión infinita es la existencia de una transición de fase, llamada "transición de Gardner" en honor a la física pionera Elizabeth Gardner, que, si está presente en los vidrios, podría cambiar significativamente sus propiedades a bajas temperaturas.
¿Pero esta transición de fase, claramente presente en dimensiones infinitas, también existía en tres? En la década de 1980, un equipo de físicos produjo cálculos matemáticos que mostraban que no, no podía. Durante tres décadas, el punto de vista predominante fue que esta transición, aunque teóricamente interesante, era irrelevante para el mundo real.
Es decir, hasta que experimentos y simulaciones recientes de Charbonneau y otros comenzaron a mostrar indicios de ello en gafas tridimensionales.
"El nuevo impulso para mirar esto es que, al atacar el problema de la formación de vidrio, encontraron una transición muy parecida a la que apareció en estos estudios", dijo Charbonneau. "Y en este contexto puede haber materiales significativosaplicaciones. "
Yaida, que tiene experiencia en física de partículas, echó un segundo vistazo a las antiguas demostraciones matemáticas. Estos cálculos no habían logrado encontrar un "punto fijo" en tres dimensiones, un requisito previo para la existencia de una transición de fase. Pero si éldio un paso más en el cálculo, pensó, la respuesta podría cambiar.
Un mes y 30 páginas de cálculos después, lo tenía.
"Momentos como estos son la razón por la que hago ciencia", dijo Yaida. "Es solo un punto, pero significa mucho para la gente en este campo. Demuestra que esta cosa exótica que la gente encontró en los años setenta y ochentatiene una relevancia física para este mundo tridimensional ".
Después de un año de verificaciones y nuevas verificaciones, más otras 60 páginas de cálculos de respaldo, los resultados se publicaron el 26 de mayo en Cartas de revisión física .
"El hecho de que esta transición pueda existir en tres dimensiones significa que podemos empezar a buscarla seriamente", dijo Charbonneau. "Afecta la forma en que se propaga el sonido, la cantidad de calor que se puede absorber, el transporte de información a través de él. Ysi comienza a cortar el vidrio, cómo cederá, cómo se romperá ".
"Cambia profundamente la forma en que entendemos los materiales amorfos en general, ya sean plásticos amorfos o montones de arena o cristales de ventana", dijo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Duke . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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