Investigadores de la Universidad de Konstanz descubrieron un nuevo estado de la materia, el vidrio lĂquido, con nuevos conocimientos sobre la naturaleza del vidrio y sus transiciones.
Si bien el vidrio es un material verdaderamente omnipresente que se utiliza a diario, tambiĂ©n representa un enigma cientĂfico importante. Contrariamente a lo que cabrĂa esperar, la verdadera naturaleza del vidrio sigue siendo un misterio, y la investigaciĂłn cientĂfica sobre sus propiedades quĂmicas y fĂsicas aĂşn está en curso.
En quĂmica y fĂsica, el tĂ©rmino vidrio en sĂ mismo es un concepto mutable: incluye la sustancia que conocemos como vidrio de ventana, pero tambiĂ©n puede referirse a una variedad de otros materiales con propiedades que se pueden explicar por referencia al comportamiento similar al vidrio, incluyendo, por ejemplo, metales, plásticos, proteĂnas e incluso cĂ©lulas biolĂłgicas.
Si bien puede dar la impresiĂłn, el vidrio es cualquier cosa menos convencionalmente sĂłlido. Normalmente, cuando un material pasa de un estado lĂquido a un estado sĂłlido, las molĂ©culas se alinean para formar un patrĂłn de cristal. En el vidrio, esto no sucede. En cambio, las molĂ©culas se congelan efectivamente en su lugar antes de que ocurra la cristalizaciĂłn. Este estado extraño y desordenado es caracterĂstico del vidrio en diferentes sistemas y los cientĂficos todavĂa están tratando de comprender cĂłmo se forma exactamente este estado metaestable.
La investigaciĂłn dirigida por los profesores Andreas Zumbusch (Departamento de QuĂmica) y Matthias Fuchs (Departamento de FĂsica), ambos con sede en la Universidad de Konstanza, acaba de agregar otra capa de complejidad al enigma del vidrio. Usando un sistema modelo que involucra suspensiones de coloides elipsoidales hechos a medida, los investigadores descubrieron un nuevo estado de la materia, el vidrio lĂquido, donde las partĂculas individuales pueden moverse pero no pueden rotar, un comportamiento complejo que no se habĂa observado previamente en vidrio a granel. Los resultados se publicaron en PNAS.
Las suspensiones coloidales son mezclas o fluidos que contienen partĂculas sĂłlidas que, en tamaños de un micrĂłmetro (una millonĂ©sima de metro) o más, son más grandes que los átomos o molĂ©culas y, por lo tanto, son adecuadas para la investigaciĂłn con microscopĂa Ăłptica. Son populares entre los cientĂficos que estudian las transiciones de vidrio porque presentan muchos de los fenĂłmenos que tambiĂ©n ocurren en otros materiales formadores de vidrio.
Hasta la fecha, la mayorĂa de los experimentos que involucran suspensiones coloidales se han basado en coloides esfĂ©ricos. Sin embargo, la mayorĂa de los sistemas naturales y tĂ©cnicos están compuestos por partĂculas no esfĂ©ricas. Usando quĂmica de polĂmeros, el equipo dirigido por Andreas Zumbusch fabricĂł pequeñas partĂculas de plástico, estirándolas y enfriándolas hasta que lograron sus formas elipsoides y luego las colocĂł en un solvente adecuado. “Debido a sus distintas formas, nuestras partĂculas tienen orientaciĂłn, a diferencia de las partĂculas esfĂ©ricas, lo que da lugar a tipos de comportamientos complejos completamente nuevos y no estudiados anteriormente”, explicĂł en un comunicado Zumbusch, profesor de quĂmica fĂsica y autor principal del estudio.
Luego, los investigadores cambiaron las concentraciones de partĂculas en las suspensiones y rastrearon el movimiento de traslaciĂłn y rotaciĂłn de las partĂculas utilizando microscopĂa confocal. Zumbusch comentĂł: “En ciertas densidades de partĂculas, el movimiento de orientaciĂłn se congelĂł mientras que el movimiento de traslaciĂłn persistiĂł, lo que resultĂł en estados vidriosos donde las partĂculas se agruparon para formar estructuras locales con orientaciĂłn similar”.
Lo que los investigadores aseguraron que el vidrio lĂquido es el resultado de que estos grupos se obstruyen mutuamente y median correlaciones espaciales caracterĂsticas de largo alcance. Estos previenen la formaciĂłn de un cristal lĂquido que serĂa el estado de materia ordenado globalmente que se espera de la termodinámica.
Lo que los investigadores observaron fueron, de hecho, dos transiciones vĂtreas en competencia, una transformaciĂłn de fase regular y una transformaciĂłn de fase de no equilibrio, interactuando entre sĂ. “Esto es increĂblemente interesante desde un punto de vista teĂłrico”, aclarĂł Matthias Fuchs, profesor de teorĂa de la materia suave condensada en la Universidad de Konstanz y el otro autor principal del artĂculo. “Nuestros experimentos proporcionan el tipo de evidencia de la interacciĂłn entre las fluctuaciones crĂticas y la detenciĂłn cristalina que la comunidad cientĂfica ha estado buscando durante bastante tiempo”, agregĂł. Una predicciĂłn del vidrio lĂquido habĂa sido una conjetura teĂłrica durante veinte años.
Los resultados sugirieron además que una dinámica similar puede estar funcionando en otros sistemas de formaciĂłn de vidrio y, por lo tanto, puede ayudar a arrojar luz sobre el comportamiento de sistemas y molĂ©culas complejos que van desde lo muy pequeño (biolĂłgico) hasta lo muy grande (cosmolĂłgico). TambiĂ©n tiene un impacto potencial en el desarrollo de dispositivos de vidrio lĂquido.