El descubrimiento del vidrio líquido arroja luz sobre el viejo problema científico de la transición vítrea

Un equipo interdisciplinario de investigadores de la Universidad de Constanza ha descubierto un nuevo estado de la materia, el vidrio líquido, con elementos estructurales hasta ahora desconocidos: nuevos conocimientos sobre la naturaleza del vidrio y sus transiciones.

Si bien el vidrio es un material verdaderamente ubicuo que utilizamos a diario, también representa un importante enigma científico. Contrariamente a lo que se podría esperar, la verdadera naturaleza del vidrio sigue siendo un misterio, con la investigación científica de sus propiedades químicas y físicas todavía en marcha. En química y física, el término vidrio en sí mismo es un concepto mutable: Incluye la sustancia que conocemos como vidrio de ventana, pero también puede referirse a una serie de otros materiales con propiedades que pueden explicarse por referencia al comportamiento similar al del vidrio, incluyendo, por ejemplo, metales, plásticos, proteínas e incluso células biológicas.

Aunque pueda dar la impresión, el vidrio es cualquier cosa menos convencionalmente sólido. Típicamente, cuando un material pasa de un estado líquido a uno sólido, las moléculas se alinean para formar un patrón cristalino. En el vidrio, esto no sucede. En su lugar, las moléculas se congelan en su lugar antes de que se produzca la cristalización. Este extraño y desordenado estado es característico de los vidrios en diferentes sistemas y los científicos todavía están tratando de entender cómo se forma exactamente este estado metaestable.

Un nuevo estado de la materia: el vidrio líquido

La investigación dirigida por los profesores Andreas Zumbusch (Departamento de Química) y Matthias Fuchs (Departamento de Física), ambos con sede en la Universidad de Constanza, acaba de añadir otra capa de complejidad al enigma del vidrio. Utilizando un sistema modelo con suspensiones de coloides elipsoidales hechas a medida, los investigadores descubrieron un nuevo estado de la materia, el vidrio líquido, en el que las partículas individuales son capaces de moverse pero no pueden rotar, un comportamiento complejo que no se había observado anteriormente en los vidrios a granel. Los resultados se publican en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América (PNAS).

Las suspensiones coloidales son mezclas o fluidos que contienen partículas sólidas que, con tamaños de un micrómetro (una millonésima de metro) o más, son más grandes que los átomos o moléculas y, por lo tanto, se prestan bien a la investigación con microscopía óptica. Son populares entre los científicos que estudian las transiciones vítreas porque presentan muchos de los fenómenos que también ocurren en otros materiales de formación de vidrio.

Coloides elipsoidales hechos a medida

Hasta la fecha, la mayoría de los experimentos con suspensiones coloidales se han basado en coloides esféricos. Sin embargo, la mayoría de los sistemas naturales y técnicos están compuestos de partículas no esféricas. Utilizando la química de los polímeros, el equipo dirigido por Andreas Zumbusch fabricó pequeñas partículas de plástico, estirándolas y enfriándolas hasta que alcanzaron sus formas elipsoides y luego las colocó en un disolvente adecuado. «Debido a sus distintas formas, nuestras partículas tienen una orientación – a diferencia de las partículas esféricas – que da lugar a tipos de comportamientos complejos totalmente nuevos y no estudiados anteriormente», explica Zumbusch, que es profesor de química física y autor principal del estudio.

A continuación, los investigadores modificaron las concentraciones de las partículas en las suspensiones y siguieron el movimiento de rotación y de traslación de las partículas mediante la microscopía confocal. Continúa Zumbusch: «A ciertas densidades de partículas, el movimiento de orientación se congeló, mientras que el movimiento de traslación persistió, dando lugar a estados vítreos en los que las partículas se agruparon para formar estructuras locales con una orientación similar». Lo que los investigadores han denominado vidrio líquido es el resultado de que estos cúmulos se obstruyen mutuamente y median correlaciones espaciales características de largo alcance. Éstas impiden la formación de un cristal líquido que sería el estado ordenado globalmente de la materia que se espera de la termodinámica.

Dos transiciones de cristal que compiten entre sí

Lo que los investigadores observaron fueron, de hecho, dos transiciones de vidrio en competencia – una transformación de fase regular y una transformación de fase de no-equilibrio – interactuando entre sí. «Esto es increíblemente interesante desde un punto de vista teórico», comenta Matthias Fuchs, profesor de teoría de la materia condensada blanda en la Universidad de Constanza y el otro autor principal del trabajo. «Nuestros experimentos proporcionan el tipo de evidencia de la interacción entre las fluctuaciones críticas y el arresto vítreo que la comunidad científica ha estado buscando durante bastante tiempo». Una predicción sobre el vidrio líquido había permanecido como una conjetura teórica durante veinte años.

Los resultados sugieren además que puede haber una dinámica similar en otros sistemas de formación de vidrio y que, por lo tanto, puede ayudar a arrojar luz sobre el comportamiento de sistemas y moléculas complejas que van desde lo muy pequeño (biológico) hasta lo muy grande (cosmológico). También podría influir en el desarrollo de dispositivos de cristal líquido.

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