Un vidrio es un material curioso entre los estados líquidos y sólidos de la materia, pero eventualmente el vidrio siempre cede a su propensión sólida al adaptarse a los patrones ordenados de un cristal. O eso fue lo que se pensó.
Los investigadores de la Universidad de Princeton han desarrollado un modelo computacional para crear un "vidrio perfecto" que nunca cristaliza, incluso en el cero absoluto. Publicado en Informes científicos , el modelo es una nueva forma de pensar sobre el vidrio y detalla las propiedades extremadamente inusuales de un vidrio perfecto.
"Sabemos que si haces algo lo suficientemente frío, se cristalizará, pero esta es una situación extremadamente exótica en la que lo estás evitando por completo", dijo el autor correspondiente Salvatore Torquato, profesor de química de Princeton y el Instituto de Ciencia de Princetony Tecnología de Materiales.
Los científicos que investigan el vidrio han estado desconcertados por su naturaleza durante más de un siglo. La configuración rebelde de sus moléculas sugiere que debe fluir como un líquido, pero es tan rígido e inflexible como un sólido. La transición del vidrio o la temperatura cuandoLos líquidos enfriados se transforman en un vidrio, es otro misterio. Mientras que la transición de un líquido a un sólido es extremadamente aguda, por ejemplo, a 0 grados Celsius en agua, los vidrios pueden formarse en un rango de temperaturas y solo si los líquidos se enfriaron lo suficientemente rápidopara evitar la cristalización
Al desarrollar su modelo, los investigadores se propusieron determinar si un vidrio podría existir para evitar la cristalización para siempre. "Nuestro modelo es una posibilidad inmediata", dijo Torquato.
El modelo proviene de dos áreas en el grupo de investigación de Torquato que fueron muy adecuadas para un modelo de vidrio perfecto. El laboratorio se centra en estados exóticos de materia hiperuniforme, materiales para los cuales los átomos aparecen desordenados localmente pero muestran un orden de largo alcance global que apareceen varios contextos, incluido el ojo de un pollo. El otro es el empaquetamiento atascado máximo aleatorio, una forma de organizar las partículas en un sistema para que tenga un grado muy alto de desorden y las partículas se atasquen juntas, para siempre congeladas en el espacio.
En el modelo de vidrio perfecto "los cristales están desterrados", dijo Torquato. "Nunca podrían formarse por diseño de las interacciones entre las partículas".
Para encontrar estas gafas perfectas, el modelo de los investigadores consideró las interacciones de 2, 3 y 4 cuerpos, que se refieren a las interacciones entre el número de partículas, mientras que los modelos anteriores consideraban solo las interacciones de 2 cuerpos o interacciones entre paresde partículas. Mientras que las interacciones de 2, 3 y 4 cuerpos son más complicadas y aún no se han visto en la naturaleza, expandirse a estas interacciones permitió a los investigadores suprimir la cristalización donde otros habían fallado.
Además de su capacidad definitoria para resistir la cristalización, un vidrio perfecto está imbuido con cero compresibilidad, lo que significa que es impermeable a las fuerzas externas y también un excelente medio para propagar el sonido. De hecho, el sonido podría viajar a través de un perfectocristal a la velocidad de la luz, dijo Ge Zhang, un estudiante graduado en el laboratorio de Torquato y autor principal del estudio. Zhang y Torquato trabajaron con el coautor Frank Stillinger, químico senior en el Departamento de Química de Princeton.
El modelo también ofrece una solución a una paradoja que ha dejado perplejos a los investigadores durante décadas y fue definido por primera vez en Princeton en 1948 por el fallecido profesor de química Walter Kauzmann. La paradoja de Kauzmann consideró la "crisis de entropía" que se produce al enfriar un vaso-formando líquido más allá de cierta temperatura.
La entropía es una medida del desorden, lo que significa que un líquido que fluye libremente tiene más desorden, y por lo tanto entropía, que un cristal altamente estructurado. Pero a medida que el líquido se enfría, la diferencia de entropía entre el líquido y el cristal comienza a disminuir.Si esa tendencia se desarrolla a temperaturas suficientemente bajas, Kauzmann propuso, eventualmente habría una temperatura ahora conocida como la temperatura de Kauzmann más allá de la cual la entropía o desorden del cristal en realidad se vuelve mayor que la del líquido sobreenfriado, una situación paradójica..
El modelo de vidrio perfecto, sin embargo, evita esta paradoja por completo. Dado que el vidrio no puede cristalizar, no hay entropía cristalina con la que comparar la entropía líquida, y por lo tanto no hay riesgo de encontrarse con la crisis de entropía.
Normand Mousseau, profesor de física en la Universidad de Montreal, dijo que los investigadores de Princeton adoptaron un enfoque atípico para responder una vieja pregunta: "A bajas temperaturas, ¿puede la estructura más estable ser algo que es un vidrio? ¿Puede existir eso en eluniverso? "Si bien su modelo no responde completamente a esas preguntas, proporciona más información, dijo Mousseau, quien está familiarizado con la investigación pero no tuvo ningún papel en ella". Tener una nueva forma de ver este problema claramente nos ayuda aseguir adelante ", dijo.
Por ahora, el modelo de vidrio perfecto es una prueba de concepto teórica, aunque intrigante que desafía la comprensión actual del vidrio. Su creación real está muy lejos, aunque Torquato sugiere que los sistemas de polímeros pueden ser un buen lugar para buscarMientras tanto, dijo, todavía hay mucho que aprender sobre la teoría de las gafas perfectas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton . Original escrito por Tien Nguyen. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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