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    ¿La transición vítrea está impulsada por la termodinámica?

    Transición vítrea impulsada por termodinámica. Crédito:Hajime Tanaka

    Sustancias vidriosas están por todas partes, sin embargo, este estado de la materia no se comprende completamente. La imagen básica es bastante clara:los vasos son sólidos que carecen de la estructura atómica regular de un cristal. Cómo y por qué se forman sin embargo, son cuestiones que han mantenido ocupados a los físicos durante décadas. Ahora, La investigación de Japón ha demostrado que la formación de vidrio se puede entender si se describe correctamente la estructura del líquido.

    En Revisión física X , Investigadores del Instituto de Ciencias Industriales (IIS) de la Universidad de Tokio ofrecen un estudio detallado de los cambios estructurales durante la transición vítrea. En un conjunto bien diseñado de simulaciones de dinámica molecular, tenían como objetivo resolver si el proceso es fundamentalmente termodinámico (dependiente de alguna forma de orden estático) o dinámico (impulsado por movimientos atómicos aleatorios).

    El equipo simuló líquidos sobreenfriados cerca del punto de transición, la temperatura en la que 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 estructuras emergentes son menos móviles que en regiones desordenadas. Si existiera, esta correlación estructura-dinámica verificaría que la termodinámica controla la formación de vidrios, al igual que para los cristales. Ese sería un gran paso hacia una teoría universal. Sin embargo, dado que los anteojos tienen aparentemente trastornos de largo alcance, la importancia del orden local es esquiva.

    En cada simulación, el equipo cuantificó qué tan bien se empaquetaban 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 embalaje local que fuera estéricamente favorecido, no solo empaquetamiento cristalino. Cuando los átomos fueron clasificados por este criterio y luego cuantificados por sus entornos, conocido como 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 se produce en dos escalas de tiempo:un proceso alfa (α) lento y un proceso beta (β) rápido. El vínculo entre estos modos, como muchas otras cosas en la teoría del vidrio, está envuelto en un misterio. El equipo de IIS descubrió que la correlación estructura-dinámica era más fuerte cuando se usaba 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 la heterogeneidad dinámica que se maximiza en la escala de tiempo α. Mientras tanto, el tamaño de los propios átomos está relacionado con el modo β rápido. Por lo tanto, cada líquido formador de vidrio depende de este par de intrínsecos, longitudes características.

    "El descubrimiento de estas escalas de tallas resuelve dos problemas a la vez, "dice el autor Hajime Tanaka." Primero, utilizando estadísticas sólidas, mostramos que la formación de vidrio es realmente termodinámica. A pesar de su aparente aleatoriedad, los líquidos vidriosos muestran un orden sutil, aunque menos direccional 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 importantes modos dinámicos. Ahora, la pregunta es si el vínculo estructura-dinámica es más que una mera correlación. En el futuro esperamos encontrar una causalidad directa ".

    El artículo, "Revelando un orden estructural oculto que controla la dinámica vítrea rápida y lenta en líquidos sobreenfriados, "fue publicado en Revisión física X en doi.org/10.1103/PhysRevX.8.011041

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