Todo el mundo sabe que el agua se congela a 0 ° C. La vida en la Tierra sería muy diferente si esto no fuera así. Sin embargo, muchos están menos familiarizados con el primo del agua, la sílice, cuyo comportamiento rebelde cuando se enfría ha desconcertado a los científicos durante mucho tiempo.
A diferencia del agua, sílice SiO 2 no se congela fácilmente.Cuando la sílice líquida se enfría, sus átomos no se organizan en un cristal ordenado.En cambio, a medida que la temperatura disminuye, el estado líquido sobrevive incluso muy por debajo de la temperatura de congelación nominal;Este fenómeno se denomina sobreenfriamiento.Eventualmente, los átomos simplemente se bloquean en su lugar donde sea que estén, preservando el desorden estructural del líquido.El estado congelado resultante de la materia, mecánicamente sólido, pero microscópicamente líquido, es un vidrio.
La preferencia de la sílice por la formación de vidrio tiene consecuencias importantes, ya que se encuentra entre los compuestos más abundantes en nuestro planeta, junto con el agua. De alguna manera, los dos líquidos son iguales: tienen geometrías de coordinación similares con simetría tetraédrica, y ambasmuestran una tendencia inusual a volverse menos densas por debajo de una cierta temperatura al enfriarse, pero más fluido al presurizar. Incluso muestran estructuras de cristal análogas, cuando la sílice se puede convencer para que se congele.
Recientemente, los investigadores del Instituto de Ciencia Industrial de la Universidad de Tokio descubrieron pistas vitales sobre por qué el agua y la sílice divergen de manera tan marcada cuando se enfrían. En un estudio publicado en PNAS , sus simulaciones revelaron la influencia de la disposición simétrica local de los átomos en estado líquido en la cristalización. Resulta que los átomos se organizan correctamente en el agua y no en la sílice.
Cuando los líquidos se enfrían, el orden emerge de la aleatoriedad, ya que los átomos se ensamblan en patrones. Desde el punto de vista de cualquier átomo individual, una serie de capas concéntricas aparecen cuando sus vecinos se juntan. En agua y sílice, la primera capa alrededor de cadaEl átomo de O o Si, respectivamente tiene forma tetraédrica, un caso de "ordenamiento orientativo o ruptura de simetría". La diferencia clave proviene de la segunda estructura de caparazón.sílice, la segunda capa se mancha al azar con poco orden de orientación.
"En el agua, las estructuras ordenadas localmente son precursoras del hielo; es decir, cristales tetraédricos de H2O", explica el coautor Rui Shi. "El orden de orientación o la ruptura de la simetría rotacional, en estado líquido, explica por qué el agua se congela tantosin embargo, en la sílice sobreenfriada, la falta de ordenamiento orientativo impide la cristalización, lo que resulta en una fácil formación del vidrio. En otras palabras, la simetría rotacional es más difícil de romper en la estructura líquida de la sílice, y con menos orden de orientación ".
Los investigadores explican esta diferencia comparando el enlace en las dos sustancias. El agua consiste en moléculas individuales de H2O, unidas por enlaces covalentes fuertes pero que interactúan a través de enlaces de hidrógeno más débiles. La estructura molecular estable del agua restringe la libertad de los átomos, lo que resulta enalto orden de orientación en el agua. Sin embargo, la sílice no tiene forma molecular, y los átomos se unen de una manera menos direccional, lo que conduce a un mal orden de orientación.
"Mostramos que las diferencias macroscópicas entre el agua y la sílice se originan en el mundo microscópico de la unión", dice el autor correspondiente Hajime Tanaka. "Esperamos extender este principio a otras sustancias, como el carbono líquido y el silicio, que son estructuralmente similaresal agua y a la sílice. El objetivo final es desarrollar una teoría general de cómo los formadores de vidrio difieren de los formadores de cristal, que es algo que hasta ahora ha eludido a los científicos ".
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Materiales proporcionado por Instituto de Ciencias Industriales, Universidad de Tokio . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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