Un nuevo estudio desafía la noción de que la estructura atómica del vidrio es indistinguible de la de un líquido, al menos para un cierto tipo de vidrio llamado "hielo amorfo" que se forma cuando el agua se enfría a temperaturas muy bajas.
En el estudio, los investigadores de la Universidad de Princeton y la Universidad de la Ciudad de Nueva York utilizaron simulaciones por computadora para mostrar que las moléculas de agua en el hielo amorfo están dispuestas en un orden previamente no detectado, que el líquido original no contenía. El hallazgo, publicado en septiembre29 en el diario Cartas de revisión de física puede ayudar a explicar las propiedades curiosas y vivificantes del agua. También desafía la definición misma de lo que significa ser un vaso.
Los vasos se hacen típicamente enfriando un líquido rápidamente y, según la comprensión actual, un vaso hereda el orden que estaba presente en el líquido original. Sin embargo, en el caso del hielo amorfo, a medida que el agua líquida se enfría, unsurge una disposición ordenada de las moléculas.
"Según nuestros resultados, estos tipos de vidrio no son simplemente líquidos congelados, esta imagen ya no se sostiene", dijo Fausto Martelli, investigador asociado en el Departamento de Química de Princeton. "Estamos diciendo esencialmente queuna noción que los científicos han creído durante muchos años es parcialmente errónea "
Antes de este estudio, los investigadores sabían que la congelación rápida del agua, que puede ocurrir a las temperaturas extremadamente frías que se encuentran en el espacio exterior, conduce a la formación de un material muy diferente al hielo de la experiencia cotidiana. Este material, conocido comoEl hielo amorfo carece de la estructura cristalina altamente ordenada del hielo regular, lo que lleva a los científicos a clasificarlo como un vaso, un líquido cuyo movimiento se ha desacelerado a un ritmo glacial. Los helados amorfos no son comunes en la Tierra, pero son la forma más abundante de agua enel universo.
El nuevo estudio encontró que las moléculas en estos hielos amorfos se organizan en un patrón interno previamente no detectado. Este patrón, conocido como hiperuniforme desordenada, se define como el orden a través de grandes distancias espaciales, incluso cuando no hay orden a través de distancias cortas. Materiales hiperuniformes desordenadoscaer en algún lugar entre un cristal, que está altamente organizado en largas distancias, y un líquido, que solo se ordena en distancias cortas.
"La existencia de estas correlaciones estructurales a gran escala no se ha apreciado completamente, y eso es realmente lo que queríamos abordar en este estudio", dijo el coautor del estudio, Salvatore Torquato, profesor de química que, con el científico principal de PrincetonFrank Stillinger, identificó por primera vez la hiperuniformidad hace más de una década Physical Review E, 2003. "La información presente en estos sistemas es bastante sorprendente y conduce a nuevas ideas sobre los materiales", dijo. Desde entonces, él y sus colegas han identificadohiperuniformidad en varios lugares, incluida la disposición de las células en un ojo de gallina Physical Review E, 2014.
Además de Martelli y Torquato, los autores del estudio incluyeron a Roberto Car, Princeton's Ralph W. * 31 Dornte Profesor de Química, y Nicolas Giovambattista, profesor asociado en el Brooklyn College-The City University de Nueva York. Torquato y Car están asociadoscon el Instituto Princeton para la Ciencia y Tecnología de Materiales.
Para explorar la estructura interna de los hielos amorfos, Martelli utilizó un modelo de computadora que rastrea el comportamiento de más de 8,000 moléculas de agua para simular lo que sucedería si enfriara el agua a aproximadamente 80 grados Kelvin aproximadamente -316 grados Fahrenheit.A esta temperatura, las moléculas de agua están tan privadas de calor que ya no pueden moverse de un lugar a otro, ni rotar en el lugar. A esta temperatura y por debajo, los investigadores observaron que el patrón hiperuniforme emerge en los datos de la simulación por computadora.
"No estamos acostumbrados a buscar el orden en escalas tan largas", dijo Martelli. "Sin embargo, las matemáticas nos permiten arrojar luz sobre patrones que nuestros ojos no pueden ver".
Las simulaciones requirieron meses de tiempo en computadoras de investigación de alto rendimiento, incluidos los grupos TIGRESS de la Universidad de Princeton a través del Instituto Princeton de Ciencia e Ingeniería Computacional.
La simulación permitió a los investigadores hacer preguntas sobre la naturaleza del agua, que tiene muchos comportamientos anómalos que la hacen especialmente adecuada para soportar la vida. Una de esas anomalías es que la forma cristalina del hielo es menos densa que el agua líquida, lo que permite que el hieloflotador, que a su vez permite que exista vida bajo el hielo en lagos y océanos.
Una posible explicación de las anomalías del agua es que, a temperaturas muy frías, el agua puede venir en dos fases líquidas, una más densa que la otra, en lugar del único estado líquido que nos resulta familiar. Detectar la transición del agua entreLas formas de alta y baja densidad han demostrado ser esquivas debido a desafíos técnicos.
El estudio actual proporciona apoyo indirecto para la existencia de las dos formas, al menos en simulaciones por computadora. Giovambattista simuló la aplicación de alta presión al modelo y observó que la presión convirtió la forma de hielo amorfo de baja densidad en una altaforma de densidad: la transición entre las dos formas de hielo amorfo es consistente con la existencia de dos formas líquidas de agua.
La comprensión del orden de largo alcance presente en los materiales amorfos es un área de estudio activa porque aprovechar la hiperuniformidad podría conducir a aplicaciones prácticas. La hiperuniformidad presente en el silicio amorfo puede permitir nuevas formas de sintonizar las propiedades electrónicas. La capacidad de manipular la longitud hiperuniforme de un materialel orden de rango puede ayudar a los científicos a construir cerámicas más fuertes o anteojos de mayor duración.
Martelli dijo que se pueden producir helados amorfos en entornos de laboratorio y que es posible encontrar evidencia de hiperuniformidad en estos experimentos.
El estudio fue financiado por el Departamento de Energía de EE. UU. Y la National Science Foundation.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton . Original escrito por Catherine Zandonella. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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