Aprendemos en la escuela que la materia se presenta en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Un estudiante aburrido e inteligente todos conocemos uno, a veces pregunta si el vidrio es sólido o líquido.
El estudiante tiene un punto. Los vidrios son extraños "líquidos sólidos" que se enfrían tan rápido que sus átomos o moléculas se atascan antes de organizarse en los patrones regulares de un sólido cristalino. Por lo tanto, un vidrio tiene las propiedades mecánicas de un sólido pero sus átomoso las moléculas están desorganizadas, como las de un líquido.
Una señal de la rareza del vidrio es que la transición de líquido a vidrio es mucho más difusa que la transición de líquido a sólido cristalino. De hecho, la transición de vidrio se define arbitrariamente como el punto donde el material formador de vidrio tieneviscosidad de 10 13 equilibrio. La viscosidad del agua a temperatura ambiente es de aproximadamente 0.01 poises. Un aceite espeso puede tener una viscosidad de aproximadamente 1.0 poises. En este punto, es demasiado espeso para fluir y cumple con la definición práctica de un sólido.
Los científicos odian las definiciones tan vagas, pero se han quedado con esta porque nadie entendió realmente la transición vítrea, que con frecuencia aparece en las listas de los 10 problemas no resueltos más importantes en física.
En su mayor parte, los científicos han podido medir solo las propiedades a granel de los líquidos formadores de vidrio, como la viscosidad y el calor específico, y las interpretaciones que obtuvieron dependieron en parte de las medidas que tomaron. La literatura sobre vidrio es notoriamente notorialleno de hallazgos contradictorios y talleres sobre vidrio son el lugar para un animado debate.
Pero en los últimos quince años, las nuevas configuraciones experimentales que dispersan rayos X o neutrones de los átomos en una gota de líquido que se mantiene sin un recipiente lo que provocaría que cristalizara han permitido a los científicos medir por finpropiedades atómicas del líquido. Y ese es el nivel en el que sospechan que los secretos de la transición vítrea están ocultos.
En uno de esos estudios, Ken Kelton, el Profesor Arthur Holly Compton en Artes y Ciencias de la Universidad de Washington en St. Louis, y su equipo de investigación Chris Pueblo, Universidad de Washington y Minhua Sun, Universidad Normal de Harbin, China compararon una medidade la interacción de los átomos para diferentes líquidos formadores de vidrio. Sus resultados, publicado en línea en Nature Materials , concilie varias medidas de formación de vidrio, una señal de que están en el camino correcto.
"Hemos demostrado que el concepto de líquidos frágiles y fuertes, que fue inventado para explicar por qué la viscosidad cambia de manera marcadamente diferente a medida que el líquido se enfría, en realidad va mucho más allá de la viscosidad", dijo Kelton.a la repulsión entre los átomos, que limita su capacidad de moverse cooperativamente. Es por eso que la distinción entre líquidos frágiles y fuertes también aparece en propiedades estructurales, propiedades elásticas y dinámicas. Todas son manifestaciones diferentes de esa interacción atómica ".
Esta es la primera vez que la conexión entre la viscosidad y las interacciones atómicas se ha demostrado experimentalmente, dijo. Curiosamente, sus estudios y trabajos de otros sugieren que la transición vítrea comienza no a la temperatura de transición vítrea convencional, sino a una temperatura de aproximadamente dosveces más alto en vidrios metálicos más de dos veces más alto en los vidrios de silicato, como el vidrio de la ventana. Es en ese punto, dijo Kelton, que los átomos comienzan a moverse cooperativamente.
Perforando hasta el nivel atómico
Los últimos descubrimientos de Kelton siguen investigaciones anteriores de una característica de los líquidos formadores de vidrio llamada fragilidad. Para la mayoría de las personas, todos los vidrios son frágiles, pero para los físicos algunos son "fuertes" y otros son "frágiles".
La distinción fue introducida por primera vez en 1995 por Austen Angell, profesor de química en la Universidad Estatal de Arizona, quien sintió que se necesitaba un nuevo término para capturar diferencias dramáticas en la forma en que aumenta la viscosidad de un líquido a medida que se acerca la transición vítrea.
Las viscosidades de algunos líquidos cambian gradualmente y suavemente a medida que se acercan a esta transición. Pero a medida que otros líquidos se enfrían, su viscosidad cambia muy poco al principio, pero luego despega como un cohete a medida que se acerca la temperatura de transición.
En ese momento, Angell solo podía medir la viscosidad, pero llamó al primer tipo de líquido "fuerte" y al segundo tipo "frágil" porque sospechaba que una diferencia estructural subyace a las diferencias que vio
"Es más fácil explicar lo que quiso decir si piensas que un vaso se está convirtiendo en líquido en lugar de al revés", dijo Kelton. "Supongamos que un vidrio se calienta a través de la temperatura de transición del vidrio. Si se trata de un sistema 'fuerte',"recuerda" la estructura que tenía como un vidrio, que está más ordenado que en un líquido, y eso le dice que la estructura no cambia mucho durante la transición. Por el contrario, un sistema "frágil" rápidamente "olvida"su estructura de vidrio, que le dice que su estructura cambia mucho durante la transición.
"La gente argumentó que el cambio en la viscosidad tenía que estar relacionado con la estructura, a través de varios conceptos intermedios, algunos de los cuales no están bien definidos", agregó Kelton. "Lo que hicimos fue saltar sobre estos pasos intermedios para mostrar directamente quela fragilidad estaba relacionada con la estructura "
En 2014, él y miembros de su grupo publicaron en Nature Communications los resultados de los experimentos que mostraron que la fragilidad de un líquido formador de vidrio se refleja en algo llamado factor de estructura, una cantidad medida dispersando rayos X de una gotade líquido que contiene información sobre la posición de los átomos en la gota.
"Fue tal como Angell había sospechado", dijo Kelton. "La tasa de ordenamiento atómico en el líquido cerca de la temperatura de transición determina si un líquido es 'frágil' o 'fuerte'".
pequeños codos atómicos afilados
Pero Kelton no estaba satisfecho. Otros científicos estaban encontrando correlaciones entre la fragilidad de un líquido y sus propiedades y dinámicas elásticas, así como su estructura. "Tiene que haber algo en común", pensó.¿algo que podría ser la base de todas estas cosas? ". La respuesta, creía, tenía que ser la atracción y repulsión cambiantes entre los átomos a medida que se acercaban, lo que se denomina potencial de interacción atómica.
Kelton explicó que si dos átomos están bien separados, hay poca interacción entre ellos y el potencial interatómico es casi cero. Cuando se acercan, se atraen entre sí por una variedad de razones. La energía potencial disminuye,volviéndose negativo o atractivo. Pero luego, a medida que se acercan aún más, los núcleos de los átomos comienzan a interactuar y se repelen. La energía se dispara hacia arriba.
"Es esa parte repulsiva del potencial que estábamos viendo en nuestros experimentos", dijo Kelton.
Lo que encontraron cuando midieron el potencial repulsivo de 10 aleaciones metálicas diferentes en la Fuente avanzada de fotones, una línea de haz en el Laboratorio Nacional de Argonne, es que los líquidos "fuertes" tienen potenciales repulsivos más pronunciados y la pendiente de su potencial repulsivo cambia más rápidamente quede "frágiles". "Lo que esto significa", dijo Kelton, "es que los líquidos 'fuertes' se ordenan más rápidamente a altas temperaturas que los 'frágiles'. Esa es la base microscópica de la fragilidad de Angell."
"Lo que es interesante", continuó Kelton, "es que vemos que los átomos comienzan a responder cooperativamente, mostrando conciencia unos de otros, a temperaturas aproximadamente el doble de la temperatura de transición vítrea y cerca de la temperatura de fusión.
"Ahí es donde realmente comienza la transición vítrea", dijo. "A medida que el líquido se enfría más y más, los átomos se mueven cooperativamente hasta que las balsas de cooperación se extienden de un lado del líquido al otro y los átomos se atascan. Pero ese punto,la transición vítrea convencional, es solo el punto final de un proceso continuo que comienza a una temperatura mucho más alta ".
Kelton pronto asistirá a un taller en Polonia donde espera una discusión animada sobre sus hallazgos, que contradicen los de algunos de sus colegas. Pero está convencido de que tiene el hilo que conducirá al laberinto debido a los diferentes niveles dela comprensión está comenzando a alinearse. "Es emocionante que las cosas estén yendo tan bien", dijo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Washington en St. Louis . Original escrito por Diana Lutz. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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