En 1972, los físicos J. Michael Kosterlitz y David Thouless publicaron una teoría innovadora de cómo podrían ocurrir cambios de fase en materiales bidimensionales. Los experimentos pronto mostraron que la teoría capturó correctamente el proceso de una película de helio que pasa de un superfluido a un normalfluido, lo que ayuda a marcar el comienzo de una nueva era de investigación sobre materiales ultradelgados, sin mencionar ganar Kosterlitz, profesor de la Universidad de Brown, y Thouless comparte el Premio Nobel de Física 2016.
Pero la teoría de Kosterlitz-Thouless KT tenía como objetivo explicar más que la transición superfluida. El par también esperaba que explicara cómo un sólido bidimensional podría fundirse en un líquido, pero los experimentos hasta ahora no han podido validar claramente la teoríaen ese caso. Ahora, una nueva investigación realizada por otro grupo de físicos de Brown podría ayudar a explicar el desajuste entre la teoría y el experimento.
La investigación, publicada en Actas de la Academia Nacional de Ciencias , muestra cómo las impurezas - átomos "extra" en la estructura cristalina de un material - pueden interrumpir el orden de un sistema y hacer que el derretimiento comience antes de que la teoría KT prediga que debería hacerlo. Los hallazgos son un paso hacia un proceso más completoteoría física de la fusión, dicen los investigadores.
"La transición sólido-líquido es algo con lo que todos estamos familiarizados, pero es un profundo fracaso de la física moderna que todavía no entendemos exactamente cómo sucede", dijo Xinsheng Ling, profesor de física en Brown y seniorautor del nuevo artículo: "Lo que mostramos es que las impurezas, que no están incluidas en la teoría KT pero siempre se encuentran en materiales reales, juegan un papel importante en el proceso de fusión".
Si bien los detalles siguen siendo un gran misterio, los científicos tienen una comprensión básica de cómo se derriten los sólidos. A medida que aumenta la temperatura, los átomos en la red cristalina de un sólido comienzan a agitarse. Si la agitación se vuelve demasiado violenta para que la red se mantenga unida,el sólido se derrite en un líquido, pero no se sabe exactamente cómo comienza el proceso de fusión y por qué comienza en ciertos lugares en un sólido en lugar de otros.
Para este nuevo estudio, los investigadores utilizaron pequeñas partículas de poliestireno suspendidas en agua altamente desionizada. Las fuerzas eléctricas entre las partículas cargadas hacen que se organicen en una red cristalina similar a la forma en que los átomos están dispuestos en un material sólido.haz láser para mover partículas individuales, los investigadores pueden ver cómo los defectos de la red afectan el orden de la red.
Los defectos pueden presentarse en dos formas generales: vacantes, donde faltan partículas, e intersticiales, donde hay más partículas de las que deberían existir. Este nuevo estudio examinó en particular el efecto de los intersticiales, que ningún estudio previo había investigado.
La investigación encontró que si bien un intersticial en una región dada hizo poca diferencia en el comportamiento de la red, dos intersticiales hicieron una gran diferencia.
"Lo que encontramos fue que dos defectos intersticiales rompen la simetría de la estructura de una manera que los defectos individuales no lo hacen", dijo Ling. "Esa ruptura de la simetría conduce a la fusión local antes de que KT prediga".
Esto se debe a que la teoría KT se ocupa de los defectos que surgen de las fluctuaciones térmicas, y no de los defectos que ya pueden haber existido en la red.
"Los materiales reales son desordenados", dijo Ling. "Siempre hay impurezas. En pocas palabras, el sistema no puede distinguir cuáles son las impurezas y cuáles son los defectos creados por la agitación térmica, lo que lleva a la fusión antes de lo que se predeciría".
La técnica utilizada para el estudio podría ser útil en otros lugares, dicen los investigadores. Por ejemplo, podría ser útil para estudiar la transición del vidrio duro a un líquido viscoso, un fenómeno relacionado con la transición sólido-líquido que también carece de una completaexplicación.
"Creemos que descubrimos accidentalmente una nueva forma de descubrir mecanismos de ruptura de simetría en la física de materiales", dijo Ling. "El método en sí puede terminar siendo lo más significativo de este documento, además de los hallazgos".
Los coautores del trabajo fueron los ex alumnos de doctorado de Brown Sung-Cheol Kim, Lichao Yu y Alexandros Pertsinidis, quienes completaron sus tesis de doctorado en el Laboratorio Ling en Brown. La investigación fue apoyada por el NationalFundación de la Ciencia DMR-1005705.
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Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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