Un vidrio es un material curioso entre los estados líquido y sólido de la materia, pero eventualmente el vidrio siempre cede a su propensión sólida al asentarse en los patrones ordenados de un cristal. O eso se pensaba.

Los investigadores de la Universidad de Princeton han desarrollado un modelo computacional para crear un "vidrio perfecto" que nunca cristaliza, incluso en el cero absoluto. Publicado en Informes científicos de la naturaleza , el modelo es una nueva forma de pensar sobre el vidrio y detalla las propiedades extremadamente inusuales de un vidrio perfecto.

"Sabemos que si haces algo lo suficientemente frío, se cristalizará, pero esta es una situación extremadamente exótica en la que lo estás evitando por completo, "dijo el autor correspondiente Salvatore Torquato, profesor de química de Princeton y del Instituto de Ciencia y Tecnología de Materiales de Princeton.

Los científicos que investigan el vidrio han estado desconcertados por su naturaleza durante más de un siglo. La configuración rebelde de sus moléculas sugiere que debería fluir como un líquido, pero es tan rígido e inflexible como un sólido. La transición vítrea, o la temperatura cuando los líquidos enfriados se transforman en un vaso, es otro misterio. Mientras que la transición de un líquido a un sólido es extremadamente aguda, a 0 grados Celsius en agua, por ejemplo, los vidrios pueden formarse en un rango de temperaturas y solo si los líquidos se enfriaron lo suficientemente rápido para evitar la cristalización.

Al desarrollar su modelo, los investigadores se propusieron determinar si podría existir un vidrio que pudiera evitar para siempre la cristalización. "Nuestro modelo es una posibilidad lista para usar, "Dijo Torquato.

El modelo proviene de dos áreas del grupo de investigación de Torquato que eran adecuadas para un modelo de vidrio perfecto. El laboratorio se centra en estados exóticos hiperuniformes de la materia, materiales para los que los átomos aparecen desordenados localmente pero muestran un orden de largo alcance global que aparece en varios contextos, incluido el ojo de un pollo. El otro es embalaje atascado al azar máximo, una forma de organizar las partículas en un sistema de modo que tenga un grado muy alto de desorden y las partículas se apiñen entre sí, para siempre congelado en el espacio.

En el modelo de vidrio perfecto "los cristales se desvanecen, ", Dijo Torquato." Nunca podrían formarse por diseño de las interacciones entre las partículas ".

Para encontrar estas gafas perfectas el modelo de los investigadores considerado 2-, 3-, e interacciones de 4 cuerpos, que se refieren a las interacciones entre el número de partículas, mientras que los modelos anteriores consideraron solo interacciones de 2 cuerpos, o interacciones entre pares de partículas. Mientras que 2-, 3-, y las interacciones de 4 cuerpos son más complicadas y aún no se han visto en la naturaleza, expandirse a estas interacciones permitió a los investigadores suprimir la cristalización donde otros habían fallado.

Además de su capacidad definitoria para resistir la cristalización, un vidrio perfecto está impregnado de compresibilidad cero, lo que significa que es impermeable a las fuerzas externas y también un excelente medio para propagar el sonido. De hecho, el sonido podría viajar a través de un cristal perfecto a la velocidad de la luz, dijo Ge Zhang, estudiante de posgrado en el laboratorio de Torquato y autor principal del estudio.

El modelo también ofrece una solución a una paradoja que ha dejado perplejos a los investigadores durante décadas y que fue definido por primera vez en Princeton en 1948 por el fallecido profesor de química Walter Kauzmann. La paradoja de Kauzmann consideró la "crisis de entropía" provocada por el sobreenfriamiento de un líquido formador de vidrio más allá de cierta temperatura.

La entropía es una medida de desorden, lo que significa que un líquido que fluye libremente tiene más desorden, y así la entropía, que un cristal altamente estructurado. Pero a medida que el líquido se enfría, la diferencia de entropía entre el líquido y el cristal comienza a disminuir. Si esa tendencia se desarrollara a temperaturas suficientemente bajas, Ofreció Kauzmann, eventualmente habría una temperatura ahora conocida como la temperatura de Kauzmann más allá de la cual la entropía, o desorden, del cristal en realidad se vuelve más grande que el del líquido sobreenfriado, una situación paradójica.

El modelo de cristal perfecto, sin embargo, evita esta paradoja por completo. Dado que el vidrio no puede cristalizar, no hay entropía cristalina con la que comparar la entropía líquida, y por lo tanto no hay riesgo de encontrarse con la crisis de la entropía.

Normand Mousseau, profesor de física en la Universidad de Montreal, dijo que los investigadores de Princeton adoptaron un enfoque atípico para responder una vieja pregunta:"A bajas temperaturas, ¿Puede la estructura más estable ser algo que sea un vidrio? ¿Puede eso existir en el universo? "Si bien su modelo no responde completamente a esas preguntas, proporciona más información, dijo Mousseau, que está familiarizado con la investigación pero no participó en ella. "Tener una nueva forma de ver este problema claramente nos ayuda a avanzar, " él dijo.

Por ahora, el modelo de vidrio perfecto es una prueba teórica de concepto, aunque intrigante que desafía la comprensión actual del vidrio. Su creación actual está muy lejos, aunque Torquato sugiere que los sistemas de polímeros pueden ser un buen lugar para buscar. Mientras tanto, él dijo, Todavía queda mucho por aprender sobre la teoría de las gafas perfectas.