A menos que sea un científico de materiales, que la mayoría de nosotros, después de todo, no lo somos, el término "gafas" probablemente le recuerde cosas como los cristales de las ventanas, vasos o anteojos. Casi nadie pensará en metales. Pero vidrios metálicos o 'metales amorfos' como también se les conoce, están desempeñando un papel cada vez más importante tanto en la investigación científica como en la tecnología.

Cuando los metales fundidos se enfrían tan rápidamente que se solidifican en una fracción de segundo, permanecen caóticos y desordenados a nivel atómico. Si se hubieran enfriado lentamente los átomos habrían tenido tiempo de reorganizarse y formar una estructura reticular cristalina ordenada, pero un enfriamiento muy rápido significa que los átomos en el líquido derretido desordenado no tienen tiempo suficiente para reordenarse y están esencialmente congelados en su posición. Este desorden atómico imparte a estos vidrios metálicos "fuera de equilibrio" propiedades que son bastante diferentes a las de la aleación cristalina ordenada que se formaría cuando los mismos constituyentes se someten a un enfriamiento más lento convencional. Los vidrios metálicos pueden ser tan fuertes como el acero mientras tienen la elasticidad de un polímero.

La mayoría de los materiales del universo son amorfos, lo que significa que son caóticos y desorganizados y carecen del orden de largo alcance que se encuentra en los sólidos cristalinos. Incluso agua que en su estado congelado tiene una estructura cristalina regular aquí en la Tierra, es vidrioso o amorfo en el universo más amplio, como el agua que se encuentra en los cometas a temperaturas inferiores a -150 ° C. Desde una perspectiva científica, la transición del estado líquido al estado sólido amorfo es de fundamental interés.

"Qué sucede exactamente durante la vitrificación todavía no se comprende bien, "dice Isabella Gallino. Trabajando con colegas de España (Dr. Daniele Cangialosi, Dr. Xavier Monnier), Francia (Dra. Beatrice Ruta) y Alemania (Profesor Ralf Busch, también de la Universidad de Saarland), El Dr. Gallino ha estudiado con un detalle sin precedentes lo que sucede a nivel atómico cuando una aleación líquida metaestable se vitrifica para formar un vidrio sólido.

Utilizando haces de rayos X extremadamente brillantes y coherentes generados en el Centro Europeo de Investigación de Sincrotrones en Grenoble, Gallino y sus colegas estudiaron los reordenamientos atómicos que ocurren en una aleación de oro especial cuando se enfría desde alrededor de 150 ° C (estado líquido) a alrededor de 115 ° C (congelado, estado vidrioso). Usando esta técnica, el equipo de investigación pudo observar cómo disminuía el movimiento de los átomos a medida que el material se congelaba. El proceso de congelación en sí también se estudió utilizando un nuevo calorímetro flash, un calorímetro de barrido rápido que permite alcanzar velocidades de calentamiento y enfriamiento extremadamente altas. Previamente, nadie había podido observar lo que estaba sucediendo en el rango de vitrificación con este nivel de precisión.

"Hasta ahora, nadie había logrado hacer estas observaciones en un rango tan amplio de velocidades de calentamiento y enfriamiento, "explica Isabella Gallino, quien actualmente está trabajando en su habilitación, un título de investigación avanzada que le da derecho al titular a enseñar a nivel de profesor en Alemania. Hace diez años, Los estudios de este tipo simplemente no eran factibles por razones técnicas. En ese tiempo, los científicos no tenían la opción de someter estos materiales a rayos X de sincrotrón extremadamente brillantes, tampoco tenían acceso a los calorímetros de barrido rápido que permiten registrar las transiciones de fase y otras transformaciones a tasas de temperatura de hasta 100ºC, 000 grados por segundo. Hoy dia, Ambas opciones están disponibles e Isabella Gallino y sus colegas las han aprovechado.

En su artículo de investigación publicado en el respetado, revista revisada por pares Avances de la ciencia , el equipo demostró que sus resultados desafiaron un paradigma previamente aceptado de investigación en ciencia de materiales. "Hasta ahora, La sabiduría convencional sostenía que la velocidad a la que el líquido se congela es la misma que la llamada velocidad de relajación alfa, es decir, la velocidad a la que la movilidad primaria de los átomos disminuye a medida que se baja la temperatura, "explica el Dr. Gallino." Pero esta correlación uno a uno no es lo que realmente observamos ".

"Eso es porque la masa fundida comprende átomos de varios tipos y de tamaños muy diferentes. Cuando los átomos grandes, como el oro, ya se han congelado y están esencialmente inmóviles, los átomos más pequeños, como el silicio, todavía pueden moverse y "trotar" a sí mismos en sus posiciones preferidas enérgicamente, "dice Isabella Gallino. Debido a este flujo colectivo de átomos de menor tamaño, todavía hay movilidad global dentro del material, que sigue comportándose como un líquido. Es solo cuando los átomos más pequeños finalmente se congelan, que el líquido se solidifica completamente en un vaso.

Este nuevo hallazgo fundamental de Isabella Gallino y sus colegas de investigación tiene implicaciones para la investigación global que se está llevando a cabo en metales amorfos y otros materiales formadores de vidrio, como polímeros y líquidos iónicos. Una mejor comprensión del proceso de vitrificación no solo facilitará la creación de nuevos materiales especializados en el futuro, pero nos dará una mayor comprensión del comportamiento de los materiales amorfos existentes.