Si bien el vidrio es un material verdaderamente omnipresente que usamos a diario, también representa un enigma científico importante. Contrariamente a lo que cabría esperar, la verdadera naturaleza del vidrio sigue siendo un misterio, con investigaciones científicas sobre su química ypropiedades físicas aún en curso. En química y física, el término vidrio en sí es un concepto mutable: incluye la sustancia que conocemos como vidrio de ventana, pero también puede referirse a una variedad de otros materiales con propiedades que pueden explicarse por referencia al vidrio-comportamiento similar, incluidos, por ejemplo, metales, plásticos, proteínas e incluso células biológicas.
Si bien puede dar la impresión de que el vidrio es cualquier cosa menos convencionalmente sólido. Por lo general, cuando un material pasa de un estado líquido a un estado sólido, las moléculas se alinean para formar un patrón de cristal. En el vidrio, esto no sucede.Las moléculas se congelan efectivamente en su lugar antes de que ocurra la cristalización. Este estado extraño y desordenado es característico de los vidrios en diferentes sistemas y los científicos todavía están tratando de comprender cómo se forma exactamente este estado metaestable.
Un estado novedoso de la materia: vidrio líquido
La investigación dirigida por los profesores Andreas Zumbusch Departamento de Química y Matthias Fuchs Departamento de Física, ambos con sede en la Universidad de Konstanz, acaba de agregar otra capa de complejidad al enigma del vidrio. Usando un sistema modelo que involucra suspensiones de sastre-con coloides elipsoidales hechos, los investigadores descubrieron un nuevo estado de la materia, el vidrio líquido, donde las partículas individuales pueden moverse pero no pueden rotar, un comportamiento complejo que no se había observado previamente en vidrios a granel. Los resultados se publican en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
Las suspensiones coloidales son mezclas o fluidos que contienen partículas sólidas que, en tamaños de un micrómetro una millonésima de metro o más, son más grandes que los átomos o moléculas y, por lo tanto, son adecuadas para la investigación con microscopía óptica. Son populares entrecientíficos que estudian las transiciones de vidrio porque presentan muchos de los fenómenos que también ocurren en otros materiales formadores de vidrio.
Coloides elipsoidales hechos a medida
Hasta la fecha, la mayoría de los experimentos que involucran suspensiones coloidales se han basado en coloides esféricos. Sin embargo, la mayoría de los sistemas naturales y técnicos están compuestos de partículas no esféricas. Utilizando la química de polímeros, el equipo dirigido por Andreas Zumbusch fabricó pequeñas partículas de plástico, estirandoy enfriarlos hasta que lograron sus formas elipsoides y luego colocarlos en un solvente adecuado. "Debido a sus distintas formas, nuestras partículas tienen orientación, a diferencia de las partículas esféricas, lo que da lugar a tipos de comportamientos complejos completamente nuevos y no estudiados anteriormente.", explica Zumbusch, profesor de química física y autor principal del estudio.
Los investigadores luego cambiaron las concentraciones de partículas en las suspensiones y rastrearon tanto el movimiento de traslación como el de rotación de las partículas usando microscopía confocal. Continúa Zumbusch: "En ciertas densidades de partículas, el movimiento de orientación se congeló mientras que el movimiento de traslación persistió, lo que resultó en estados vidriososdonde las partículas se agruparon para formar estructuras locales con una orientación similar ". Lo que los investigadores han denominado vidrio líquido es el resultado de estos grupos que se obstruyen mutuamente y median correlaciones espaciales características de largo alcance. Éstos previenen la formación de un cristal líquido que seríael estado globalmente ordenado de la materia que se espera de la termodinámica.
Dos transiciones de vidrio en competencia
Lo que los investigadores observaron fueron, de hecho, dos transiciones de vidrio en competencia, una transformación de fase regular y una transformación de fase de no equilibrio, interactuando entre sí. "Esto es increíblemente interesante desde un punto de vista teórico", comenta Matthias Fuchs, profesor de softteoría de la materia condensada en la Universidad de Konstanz y el otro autor principal del artículo. "Nuestros experimentos proporcionan el tipo de evidencia de la interacción entre las fluctuaciones críticas y la detención vítrea que la comunidad científica ha estado buscando durante bastante tiempo".El vidrio líquido había sido una conjetura teórica durante veinte años.
Los resultados sugieren además que una dinámica similar puede estar funcionando en otros sistemas de formación de vidrio y, por lo tanto, puede ayudar a arrojar luz sobre el comportamiento de sistemas y moléculas complejos que van desde los muy pequeños biológicos hasta los muy grandes cosmológicos.También tiene un impacto potencial en el desarrollo de dispositivos de cristal líquido.
La investigación se inició como parte del Centro de Investigación Colaborativa CRC 1214 de la Universidad de Konstanz "Partículas anisotrópicas como bloques de construcción: forma, interacciones y estructuras a medida", que fue financiada por la Fundación Alemana de Investigación DFG de 2016 a 2020.
Hechos :
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Konstanz . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :