Investigadores de la Universidad de Pennsylvania han desarrollado una nueva técnica para estudiar la superficie de diferentes tipos de vidrio. Usando esta técnica, descubrieron una propiedad sorprendente de la capa superior de las gafas, lo que podría allanar el camino para desarrollar mejores materiales de vidrio.

La investigación fue dirigida por Yue Zhang, estudiante de posgrado en el Departamento de Química de la Facultad de Artes y Ciencias de Penn, y Zahra Fakhraai, profesor asistente de química. Zhang recibió un premio APS Padden por la investigación, que reconoce la excelencia en la investigación de la física de polímeros.

La distinción entre cristales y líquidos es que, mientras que los cristales son ordenados y sólidos, los líquidos están desordenados y pueden moverse para llenar cualquier recipiente en el que se encuentren. Pero si uno enfriara un líquido lo suficiente, permanecería desordenado mientras que el movimiento de sus moléculas se ralentizaría tanto que parecería sólido. Así es como se forman los materiales amorfos como los vidrios.

Miel, por ejemplo, es un liquido, pero cuando se refrigera, sus propiedades se asemejan más a las de un sólido.

Los investigadores de Penn estaban investigando cómo las interfaces o superficies, los límites entre dos fases de la materia, afectaría las propiedades de las gafas. Según Fakhraai, cuando se introduce una superficie libre en el material, el movimiento se acelera de nuevo, que se propaga a la película.

Aunque la miel parezca sólida, las moléculas en los 5 o 10 nanómetros superiores permanecerían líquidas y en movimiento. Si se pusiera una aguja en la superficie de la miel, se sumergiría y formaría un menisco, permitiendo que las moléculas se muevan, mientras que la misma aguja no tendría efecto sobre un sólido.

En un artículo anterior publicado en Materia blanda , los investigadores redujeron esta técnica a escalas de longitud nanométrica utilizando un virus como aguja y observaron cómo las moléculas de la superficie entraban e intentaban lentamente formar un menisco alrededor del virus. Si bien las moléculas en el centro del material pueden tardar millones de años en moverse, para las moléculas en la parte superior serían más como unos pocos cientos de segundos.

"La técnica que desarrollamos es realmente emocionante porque en el campo no hay muchas técnicas para sondear directamente los movimientos de la superficie, ", Dijo Zhang." Nuestra técnica es muy eficiente y matemáticamente simple, y podemos extenderlo fácilmente a otros sistemas ".

Uno de los aspectos más desafiantes del desarrollo de la técnica, Fakhraai dijo:estaba descubriendo que podían usar virus para sondear los materiales.

"Durante algunos años intentamos sintetizar nanobarras que parecían agujas y fueran lo suficientemente largas y uniformes, ", dijo." Los virus son perfectos porque tienen estas estructuras cristalinas que tienen exactamente las dimensiones correctas que necesitamos. Pensar en el virus como una nanopartícula realmente nos ayudó a avanzar ".

Usando esta técnica, los investigadores querían determinar cómo se acopla el movimiento de las moléculas en la superficie libre con el movimiento de abajo. En particular, querían ver si las moléculas en la superficie se verían afectadas si el movimiento de las moléculas debajo de ellas se aceleraba o desaceleraba.

En otro artículo anterior publicado en Cartas de revisión física , los investigadores utilizaron diferentes técnicas de deposición para empaquetar mejor las moléculas y formar vidrios estables. Esto hizo que todo fuera extremadamente lento hasta el punto de que las moléculas del centro tardarían más que la edad del universo en moverse.

En su artículo más reciente, publicado en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , aceleraron todo haciendo películas más delgadas, que tendría más superficie libre.

"Basado en muchas teorías diferentes, hubiéramos esperado que los movimientos en el centro y la superficie libre estuvieran acoplados, "Dijo Fakhraai." El ejemplo que me gusta dar es si estás al frente del desfile y te mueves más rápido, las cosas deberían seguirte. Pero no sucede así. La capa superior inmediata realmente no se acopla:esas moléculas pueden moverse sin afectar lo que sucede detrás de ellas ".

Estos resultados, ella dijo, fueron sorprendentes. Si bien hubo muchas ideas diferentes sobre si existe esta correlación, nadie lo había medido antes. Ellos encontraron que no importa qué tipo de movimiento, las moléculas en la parte superior y las moléculas en el centro no se afectan entre sí.

Los investigadores esperan poder sondear la segunda y tercera capas, que puede ser importante en el proceso de densificación de los materiales durante la deposición, que es la base para hacer vidrios estables y es de importancia tecnológica. Dado que las moléculas de la primera capa no se ven afectadas por el movimiento de las moléculas debajo de ellas, el movimiento de las capas subyacentes se vuelve crucial en el proceso.

"Creemos que son realmente las moléculas de la segunda y la tercera capa las que participan en este proceso de densificación, y las moléculas en la superficie libre son como un mar de objetos libres que pueden proporcionar esa movilidad pero no necesariamente participan en el proceso, "Dijo Fakhraai.

También esperan comprender mejor la transición de las partículas de movimiento rápido en la superficie a las moléculas de movimiento extremadamente lento en el centro. Las personas que están al frente de un desfile pueden moverse libremente, Fakhraai explicó, pero cuanto más te adentras en el desfile, el movimiento se vuelve más restringido.

"La pregunta es qué tan profundo es el efecto y cómo se produce ese proceso, "Dijo Fakhraai." ¿Cómo cambio de algo que tarda 100 segundos en moverse a algo que tarda miles de millones de años? Creo que ese es el próximo gran desafío en el campo:comprender ese gradiente ".

Según Fakhraai, La investigación de este proceso permitirá a los investigadores no solo comprender mejor las teorías, sino también mejorar los revestimientos de los materiales y diseñar mejores materiales amorfos.

"Entendemos lo que pone el reloj en medio de la película, pero no sabemos qué marca el reloj para esas moléculas de superficie, ", Dijo Fakhraai." Creo que eso es algo para entender más en el futuro ".