Las sustancias vítreas están en todas partes, sin embargo, este estado de la materia plantea muchos enigmas. La imagen básica es bastante clara: los vidrios son sólidos que carecen de la estructura atómica regular de un cristal. Sin embargo, cómo y por qué se forman son preguntas que se han mantenidofísicos ocupados durante décadas. Ahora, la investigación de Japón ha demostrado que la formación de vidrio se puede entender si la estructura líquida se describe adecuadamente.
adentro Revisión física X , investigadores del Instituto de Ciencias Industriales IIS de la Universidad de Tokio dan un estudio detallado de los cambios estructurales durante la transición vítrea. En un conjunto bien diseñado de simulaciones de dinámica molecular, pretendían resolver si el proceso es fundamentalmente termodinámico depende de alguna forma de orden estático o dinámico impulsado por movimientos atómicos aleatorios.
El equipo simuló líquidos superenfriados cerca del punto de transición, la temperatura donde se detiene la difusión de partículas y aparece un sólido amorfo. El objetivo era encontrar un vínculo entre los patrones estructurales y la desaceleración del movimiento atómico, es decir, si los átomos en las estructuras emergentes son menoresmóvil que en regiones desordenadas. Si existe, esta correlación estructura-dinámica verificaría que la termodinámica controla la formación de vidrios, al igual que los cristales. Ese sería un gran paso hacia una teoría universal. Sin embargo, dado que los vidrios son aparentemente de largo alcancedesordenada, la importancia del orden local es difícil de alcanzar.
En cada simulación, el equipo cuantificó qué tan bien se agruparon los átomos en el líquido refrigerante midiendo un parámetro de orden estructural. Como explica el autor del estudio Hua Tong, "Tuvimos cuidado de definir el orden como cualquier empaque local que fuera favorecido estéricamente, nosimplemente empaquetamiento cristalino. Cuando los átomos se clasificaron por este criterio y luego se cuantificaron por sus entornos, conocidos como de grano grueso, surgió una clara correlación entre el orden estructural y la dinámica ". En otras palabras: los átomos más ordenados eran de hecho menos móviles".
La formación de vidrio ocurre en dos escalas de tiempo: un proceso alfa α lento y un proceso beta β rápido. El vínculo entre estos modos está, como muchas otras cosas en la teoría del vidrio envuelto en misterio. El equipo de IIS descubrió quela correlación estructura-dinámica fue más fuerte cuando se usó una longitud específica para el grano grueso. Esta longitud, que aumenta gradualmente a medida que el líquido se enfría, corresponde perfectamente a la longitud característica de heterogeneidad dinámica que se maximiza en la escala de tiempo α. Mientras tanto, el tamaño delos átomos en sí están vinculados al modo β rápido. Por lo tanto, cada líquido formador de vidrio depende de este par de longitudes intrínsecas y características.
"El descubrimiento de estas escalas de longitud resuelve dos problemas a la vez", dice el autor Hajime Tanaka. "Primero, usando estadísticas sólidas, mostramos que la formación de vidrio realmente es termodinámica. A pesar de su aparente aleatoriedad, los líquidos vidriosos muestran un orden sutil, aunquemenos direccionalmente que en los cristales. Segundo, los modos α y β tienen un origen estructural común, a pesar de que siguen diferentes escalas de longitud. Esto revela un vínculo intrínseco entre estos dos modos dinámicos importantes. Ahora, la pregunta es si la estructura-dinámicael enlace es más que una simple correlación. En el futuro esperamos encontrar una causalidad directa ".
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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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