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    Un nuevo enfoque predice los comportamientos en constante evolución del vidrio a diferentes temperaturas

    Modelado multiescala de un vidrio de polímero para predecir sus propiedades dependientes de la temperatura. Crédito:Wenjie Xia / NIST

    No todo lo relacionado con el vidrio es claro. Cómo se organizan y se comportan sus átomos, en particular, es sorprendentemente opaco.

    El problema es que el vidrio es un sólido amorfo, una clase de materiales que se encuentra en el reino misterioso entre sólido y líquido. Los materiales vidriosos también incluyen polímeros, o plásticos de uso común. Si bien puede parecer estable y estático, Los átomos de vidrio se mezclan constantemente en una búsqueda frustrantemente inútil de equilibrio. Este comportamiento cambiante ha hecho que la física del vidrio sea casi imposible de precisar para los investigadores.

    Ahora un equipo multiinstitucional que incluye a la Universidad Northwestern, La Universidad Estatal de Dakota del Norte y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han diseñado un algoritmo con el objetivo de dar a las gafas poliméricas un poco más de claridad. El algoritmo hace posible que los investigadores creen modelos de grano grueso para diseñar materiales con propiedades dinámicas y predecir sus comportamientos en constante cambio. Llamado "algoritmo de renormalización de energía, "Es el primero en predecir con precisión el comportamiento mecánico del vidrio a diferentes temperaturas y podría resultar en el rápido descubrimiento de nuevos materiales, diseñado con óptimas propiedades.

    "El proceso actual de descubrimiento de materiales puede llevar décadas, "dijo Sinan Keten de Northwestern, quien codirigió la investigación. "Nuestro enfoque escala las simulaciones moleculares aproximadamente mil veces, para que podamos diseñar materiales más rápido y examinar su comportamiento ".

    "Aunque hay materiales vidriosos a nuestro alrededor, los científicos todavía luchan por comprender sus propiedades, tales como su fluidez y difusión a medida que varían la temperatura o la composición, "dijo Jack F. Douglas, un becario de investigación del NIST, quien codirigió el trabajo con Keten. "Esta falta de comprensión es una seria limitación en el diseño racional de nuevos materiales".

    El estudio publicado recientemente en la revista Avances de la ciencia . Wenjie Xia, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental en la Universidad Estatal de Dakota del Norte, fue el primer autor del artículo.

    El extraño comportamiento de Glass se debe a la forma en que está hecho. Comienza como una piscina caliente de material fundido que luego se enfría rápidamente. Aunque el material final quiere alcanzar el equilibrio en un estado enfriado, es muy susceptible a los cambios de temperatura. Si el material se calienta, sus propiedades mecánicas pueden cambiar drásticamente. Esto hace que sea difícil para los investigadores predecir de manera eficiente las propiedades mecánicas mediante el uso de técnicas de simulación molecular existentes.

    "Tan simple como el vidrio parece, es un material muy extraño, "dijo Keten, profesor asociado de ingeniería mecánica e ingeniería civil y ambiental en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern. "Es amorfo y no tiene una estructura de equilibrio, por lo que está en constante evolución gracias a los lentos movimientos de sus moléculas. Y luego hay mucha variación en cómo evoluciona dependiendo de la temperatura y las características moleculares de cada material vítreo. Estos procesos toman mucho tiempo para computarse en simulaciones moleculares. Acelerar los cálculos solo es posible si podemos mapear las posiciones de las moléculas en modelos estructurales más simples ".

    La estructura del vidrio está en marcado contraste con un sólido cristalino, en el que los átomos están dispuestos de forma ordenada, manera predecible y simétrica. "Es fácil mapear átomos en materiales cristalinos porque tienen una estructura repetitiva, "Keten explicó." Mientras que en un material amorfo, es difícil trazar un mapa de la estructura debido a la falta de un orden de largo alcance ".

    "Debido a la naturaleza amorfa y desordenada del vidrio, sus propiedades pueden variar sustancialmente con la temperatura, haciendo que la predicción de su comportamiento físico sea extremadamente difícil, "Xia agregó." Ahora, hemos encontrado una nueva forma de resolver este problema ".

    Para abordar este desafío, Keten, Douglas, Xia y sus colaboradores diseñaron su algoritmo para tener en cuenta las muchas formas en que las moléculas de vidrio se moverían o no se moverían dependiendo de las diferentes temperaturas a lo largo del tiempo. Calcular la posición de cada átomo dentro del vidrio sería laboriosamente lento y tedioso, incluso para un algoritmo de alta potencia, de calcular. Así que Keten y sus colaboradores utilizaron "modelos de grano grueso, "un enfoque simplificado que analiza grupos de átomos en lugar de átomos individuales. Su nueva metodología crea de manera eficiente parámetros para las interacciones entre estas partículas más gruesas para que el modelo pueda capturar la dramática desaceleración del movimiento molecular a medida que el material vítreo se enfría.

    "No podemos hacer una simulación átomo por átomo incluso para películas de vidrio de grosor a nanoescala porque incluso eso sería demasiado grande, "Dijo Keten." Eso es todavía millones de moléculas. Los modelos de grano grueso nos permiten estudiar sistemas más grandes comparables a los experimentos realizados en el laboratorio ".

    Hasta aquí, Keten y su equipo han comprobado su algoritmo con tres tipos de líquidos poliméricos formadores de vidrio ya bien caracterizados y muy diferentes. En cada caso, el algoritmo predice con precisión las propiedades dinámicas conocidas en una amplia gama de temperaturas.

    "Explicar la física de las gafas ha sido uno de los mayores problemas que los científicos no han podido resolver. ", Dijo Keten." Estamos cada vez más cerca de comprender su comportamiento y resolver el misterio ".


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