Los vidrios no son fluidos ni cristales. Son sólidos amorfos y uno de los grandes enigmas de la física de la materia condensada. Durante décadas, la cuestión de cómo las formas de vidrio ha sido motivo de controversia. ¿Es porque algunas regiones congelan su movimiento térmico?¿O es porque hay partículas o grupos que no se ajustan para formar un cristal? Al menos para el sistema modelo de esferas duras, los investigadores de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz JGU en Alemania han dado un gran salto para reconciliar a estos dos oponentes.vistas. Utilizando una inteligente combinación de dispersión de luz y microscopía, pudieron demostrar que dentro de una fusión de esferas duras se forman pequeñas regiones compactadas que comprenden unos cientos de esferas. Estos denominados precursores son el punto de partida para la cristalización en subenfriamiento moderado yformación de vidrio en grandes subenfriamientos.
Los investigadores observaron que la motilidad de las partículas dentro de estos precursores era extremadamente limitada y disminuía aún más con el subenfriamiento, mientras que su número aumentó rápidamente. Con solo unos pocos precursores presentes, la cristalización aún puede comenzar en la superficie. Sin embargo, la mayoría de estos precursores sonpresente, bloquean la mayor parte de su superficie. Además, con el número de precursores aún aumentando en el tiempo, el sistema pronto se atasca y toda la dinámica adicional cesa. Esto significa que desde cierto punto en el subenfriamiento y el tiempo en adelante, la formación de cristales ya no esLos resultados de este trabajo de investigación realizado en la Escuela de Graduados de Excelencia JGU "Ciencia de los Materiales en Mainz" MAINZ se han publicado recientemente en la revista Nature Physics como una publicación en línea avanzada.
El vidrio y el cristal son dos estructuras diferentes, pero cualquiera de estas puede formarse a partir de una fusión. En el caso del vidrio, los átomos retienen su estado desorganizado, similar al observado en los líquidos, mientras que en los cristales asumen una estructura reticular muy regular.Es el proceso de solidificación lo que determina qué tipo de estructura se formará. Los experimentos de física realizados en la Universidad de Mainz no se centraron en la fabricación de un vidrio en particular, como el uso en ventanas de seguridad o fibra óptica para fines de comunicación.más bien dirigido a una comprensión avanzada del proceso de formación de vidrio en general, que es un tema de investigación tradicional en el grupo de Física de la Materia Condensada de JGU. Los investigadores estudiaron la formación de sólidos amorfos en general, y utilizaron un sistema de modelo experimental paraesferas
Aquí el subenfriamiento no se logra al disminuir la temperatura, sino al aumentar la concentración de esferas de polímero. Los cristales se forman cuando las esferas duras de la suspensión toman más del 50 por ciento del volumen, mientras que los vidrios se forman a más del 60 por cientoEstos sistemas de esferas de polímeros de tamaño micro en un solvente han sido objeto de una intensa investigación en las últimas décadas, ya que imitan de cerca el comportamiento de las esferas duras ideales que están bien estudiadas por la teoría y la simulación por computadora.
Se sabe desde la década de 1990 que los fundidos de esfera dura contienen regiones de diferente densidad y orden, así como regiones que varían en términos de la motilidad de los átomos, es decir, regiones de inhomogeneidad estructural y dinámica. Desde entonces, elEl papel desempeñado por estos dos factores durante el proceso de solidificación ha sido objeto de un intenso debate por parte de los físicos teóricos. "Lo que hemos comprobado ahora es que estas regiones son de hecho idénticas, por lo que la controversia descansa", dijo el profesor Thomas Palberg deEl Instituto de Física de la Universidad de Mainz, explicando los resultados de su investigación.
mapeo de motilidad dentro de suspensiones de esfera dura
Para comprender los procesos que tienen lugar, Sebastian Golde, miembro de la Escuela de Graduados de Excelencia MAINZ y el equipo de investigación de Palberg, investigó los sistemas de modelos de esfera dura en un experimento óptico. "Pudimos demostrar que las regiones con máslas esferas densamente empaquetadas y un poco más de orden coinciden con aquellas áreas donde las esferas duras claramente se mueven más lentamente ", afirmó Golde. Esto significa que el antiguo enigma relacionado con las dos regiones diferentes de inhomogeneidad se ha resuelto.
El método utilizado es una combinación de dispersión de luz estática y dinámica. "Analizamos cuánta luz de un rayo láser dirigido a la muestra se dispersa en una dirección determinada. Esto nos indica la estructura de la muestra. Pero también analizamos cómo parpadeadespués de la dispersión. Esto nos dice qué tan rápido se mueven las partículas ", dijo Golde, quien él mismo construyó su instrumento diseñado por el Dr. Hans Joachim Schöpe, quien recientemente se mudó a la Universidad de Tübingen. Además, utilizando un sistema de imagen inteligente, Golde pudoobtener los llamados mapas dinámicos con una resolución sin precedentes algo más pequeña que los precursores. Al igual que una imagen producida por una cámara, el resultado es un tipo de foto que captura la actividad de la dinámica dentro de las diversas regiones. Por lo tanto, los investigadores observaron que con el tiempoprocedió, se generaron áreas cada vez más pequeñas y densas con esferas de movimiento lento. Su velocidad de formación decide si queda suficiente tiempo para la formación de cristales antes de que ocurran los atascos.La velocidad de formación está relacionada con la concentración de la esfera dura, uno encuentra cristalización a bajas concentraciones de esferas duras.Por otro lado, a concentraciones más altas, estas regiones compactadas se detienen rápidamente y el sistema se solidifica en un vaso.
"En otras palabras, el vidrio resulta cuando se forman tantos precursores de cristalización que efectivamente se detienen entre sí", aclaró Palberg. "Para nosotros, esto significa que se ha encontrado un vínculo inesperado y fascinante entre los dos escenarios de solidificación. Posiblemente, esta fue una de las piezas faltantes más importantes del rompecabezas ". Se cree que los hallazgos son muy generales, pero la investigación debería extenderse claramente también a otros sistemas modelo para respaldar aún más la opinión de que las inhomogeneidades dinámicas y estructurales coincidentes son responsables deformación de vidrio.
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Materiales proporcionado por Universität Mainz . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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