Aprendemos en la escuela que la materia viene en tres estados:sólido, líquido y gas. Un estudiante aburrido e inteligente (todos hemos conocido a uno) a veces pregunta si el vidrio es sólido o líquido.

El estudiante tiene razón. Los vasos son extraños "líquidos sólidos" que se enfrían tan rápido que sus átomos o moléculas se atascan antes de organizarse en los patrones regulares de un sólido cristalino. Entonces, un vidrio tiene las propiedades mecánicas de un sólido pero sus átomos o moléculas están desorganizados, como los de un líquido.

Un signo de la rareza del vidrio es que la transición de líquido a vidrio es mucho más difusa que la transición de líquido a sólido cristalino. De hecho, la transición vítrea se define arbitrariamente como el punto en el que el material formador de vidrio tiene una viscosidad de 1013 poise. (La viscosidad del agua a temperatura ambiente es de aproximadamente 0,01 poise. Un aceite espeso puede tener una viscosidad de aproximadamente 1,0 poise). En este punto, es demasiado espeso para fluir y, por lo tanto, cumple con la definición práctica de un sólido.

Los científicos odian las definiciones tan vagas, pero se quedaron con este porque nadie entendió realmente la transición vítrea, que con frecuencia aparece en las listas de los 10 principales problemas no resueltos de la física.

En la mayor parte, Los científicos han podido medir solo las propiedades a granel de los líquidos formadores de vidrio, como la viscosidad y el calor específico, y las interpretaciones que se les ocurrieron dependieron en parte de las medidas que tomaron. La literatura sobre vidrio está notablemente llena de hallazgos contradictorios y los talleres sobre vidrio son el lugar para un animado debate.

Pero en los últimos quince años, nuevas configuraciones experimentales que dispersan rayos X o neutrones de los átomos en una gota de líquido que se mantiene sin un recipiente (lo que provocaría su cristalización) han permitido a los científicos por fin medir las propiedades atómicas del líquido. Y ese es el nivel en el que sospechan que los secretos de la transición vítrea están ocultos.

En uno de esos estudios, Ken Kelton, el profesor Arthur Holly Compton en Artes y Ciencias en la Universidad de Washington en St. Louis, y su equipo de investigación (Chris Pueblo, Universidad de Washington y Minhua Sun, Universidad Normal de Harbin, China) comparó una medida de la interacción de átomos para diferentes líquidos formadores de vidrio. Sus resultados, publicado en línea en Materiales de la naturaleza , conciliar varias medidas de formación de vidrio, una señal de que están en el camino correcto.

"Hemos demostrado que el concepto de líquidos frágiles y fuertes, que fue inventado para explicar por qué la viscosidad cambia de formas marcadamente diferentes a medida que un líquido se enfría, en realidad va mucho más profundo que solo la viscosidad, ", Dijo Kelton." En última instancia, está relacionado con la repulsión entre átomos, lo que limita su capacidad para moverse de forma cooperativa. Es por eso que la distinción entre líquidos frágiles y fuertes también aparece en las propiedades estructurales, propiedades elásticas y dinámica. Son todas manifestaciones diferentes de esa interacción atómica ".

Esta es la primera vez que se ha demostrado experimentalmente la conexión entre la viscosidad y las interacciones atómicas, él dijo. Curiosamente, Sus estudios y el trabajo de otros sugieren que la transición vítrea comienza no a la temperatura de transición vítrea convencional, sino a una temperatura aproximadamente dos veces más alta en los vidrios metálicos (más de dos veces más alta en los vidrios de silicato, como vidrio de ventana). Es en ese punto, Kelton dijo:los átomos primero comienzan a moverse cooperativamente.

Profundizando hasta el nivel atómico

Los últimos descubrimientos de Kelton siguen investigaciones anteriores de una característica de los líquidos formadores de vidrio llamada fragilidad. Para la mayoría de la gente todos los vasos son frágiles, pero para los físicos, algunos son "fuertes" y otros son "frágiles".

La distinción fue introducida por primera vez en 1995 por Austen Angell, profesor de química en la Universidad Estatal de Arizona, quienes sintieron que se necesitaba un nuevo término para capturar diferencias dramáticas en la forma en que aumenta la viscosidad de un líquido a medida que se acerca a la transición vítrea.

Las viscosidades de algunos líquidos cambian de forma gradual y suave a medida que se acercan a esta transición. Pero a medida que se enfrían otros líquidos, su viscosidad cambia muy poco al principio, pero luego despega como un cohete a medida que se acerca la temperatura de transición.

En el momento, Angell solo podía medir la viscosidad, pero llamó al primer tipo de líquido "fuerte" y al segundo tipo "frágil" porque sospechaba que había una diferencia estructural subyacente a las diferencias que vio,

"Es más fácil explicar lo que quiso decir si piensas en un vaso que se convierte en líquido en lugar de al revés, "Kelton dijo." Supongamos que un vaso se calienta a través de la temperatura de transición vítrea. Si es un sistema 'fuerte', "recuerda" la estructura que tenía como vidrio, que está más ordenada que en un líquido, y eso te dice que la estructura no cambia mucho durante la transición. A diferencia de, un sistema 'frágil' rápidamente 'olvida' su estructura de vidrio, lo que le dice que su estructura cambia mucho durante la transición.

"La gente argumentó que el cambio en la viscosidad tenía que estar relacionado con la estructura, a través de varios conceptos intermedios, algunos de los cuales no están bien definidos, "Añadió Kelton." Lo que hicimos fue saltar estos pasos intermedios para mostrar directamente que la fragilidad estaba relacionada con la estructura ".

En 2014, él con miembros de su grupo publicado en Comunicaciones de la naturaleza los resultados de experimentos que mostraron que la fragilidad de un líquido formador de vidrio se refleja en algo llamado factor de estructura, una cantidad medida mediante la dispersión de rayos X de una gota de líquido que contiene información sobre la posición de los átomos en la gota.

"Fue justo como Angell había sospechado, ", Dijo Kelton." La tasa de ordenamiento atómico en el líquido cerca de la temperatura de transición determina si un líquido es 'frágil' o 'fuerte' ".

Pequeños codos atómicos afilados

Pero Kelton no estaba satisfecho. Otros científicos estaban encontrando correlaciones entre la fragilidad de un líquido y sus propiedades elásticas y dinámicas, así como su estructura. "Tiene que haber algo en común, "pensó." ¿Cuál es la única cosa que podría subyacer a todas estas cosas? "La respuesta, él creyó, tenía que ser la atracción cambiante y la repulsión entre los átomos a medida que se acercaban, que se llama potencial de interacción atómica.

Si dos átomos están bien separados, Kelton explicó, hay poca interacción entre ellos y el potencial interatómico es casi nulo. Cuando se acercan más se sienten atraídos el uno por el otro por diversas razones. La energía potencial baja volviéndose negativo (o atractivo). Pero luego, a medida que se acercan aún más, los núcleos de los átomos comienzan a interactuar, repeler el uno al otro. La energía se dispara.

"Es esa parte repulsiva del potencial que estábamos viendo en nuestros experimentos, "Dijo Kelton.

Lo que encontraron cuando midieron el potencial repulsivo de 10 aleaciones metálicas diferentes en la Fuente de Fotones Avanzada, una línea de luz en el Laboratorio Nacional de Argonne, es que los líquidos "fuertes" tienen potenciales repulsivos más pronunciados y la pendiente de su potencial repulsivo cambia más rápidamente que la de los "frágiles". "Lo que esto significa, "Kelton dijo, "es que los líquidos 'fuertes' se ordenan más rápidamente a altas temperaturas que los 'frágiles'. Ese es el fundamento microscópico de la fragilidad de Angell.

"¿Qué es interesante? "Kelton continuó, "es que vemos que los átomos comienzan a responder cooperativamente, mostrando conciencia unos de otros, a temperaturas aproximadamente el doble de la temperatura de transición vítrea y cercanas a la temperatura de fusión.

"Ahí es donde realmente comienza la transición vítrea, ", dijo." A medida que el líquido se enfría más y más, los átomos se mueven cooperativamente hasta que las balsas de cooperación se extienden de un lado del líquido al otro y los átomos se atascan. Pero ese punto, la transición vítrea convencional, es sólo el punto final de un proceso continuo que comienza a una temperatura mucho más alta ".

Kelton pronto asistirá a un taller en Polonia donde espera un animado debate sobre sus hallazgos. que contradicen los de algunos de sus compañeros. Pero está convencido de que tiene agarrado el hilo que lo sacará del laberinto porque comienzan a alinearse diferentes niveles de comprensión. "Es emocionante que las cosas se vayan uniendo tan bien, " él dijo.

Lentes, lentes, En todas partes

Ken Kelton ha perseguido la transición vítrea durante muchos años porque la física es interesante y, él confiesa, porque simplemente le gustan los líquidos y los vasos. Pero cuando busca en Google a personas que han citado sus artículos, a menudo descubre que trabajan en la industria. Esto se debe a que las gafas están en todas partes. La mayoría de nosotros pensamos en el vidrio como vidrio de ventana o vasos para beber, pero muchos alimentos, las drogas y los plásticos también son vasos.

El espagueti seco es duro y quebradizo porque es un vaso. Cuando se calienta en agua hirviendo, experimenta una transición a un estado "gomoso" que combina bien con la salsa roja. El algodón de azúcar es un vaso que se hace derritiendo cristales de azúcar y luego centrifugando la masa fundida para que las hebras de azúcar fundido se "congelen" en forma de vaso. Cheetos, galletas de gambas y leche en polvo en polvo son vasos, al igual que muchos otros alimentos.

Las compañías farmacéuticas a menudo usan el secado por atomización o la liofilización para asegurarse de que un medicamento sea vítreo en lugar de cristalino. Muchos plásticos duros, como polysytrene (empaquetar cacahuetes, maquinillas de afeitar desechables) y cloruro de polivinilo (revestimiento de vinilo, fontanería) también son vasos.

Los científicos industriales están escaneando los artículos de Kelton porque necesitan controlar la transición vítrea y la transformación del vidrio en un sólido cristalino para dar a sus productos las propiedades deseables. Las drogas en estado vítreo generalmente se disuelven mejor en el cuerpo, para que las dosis más bajas sean efectivas, y algunas drogas deben producirse como vidrios porque son insolubles en su forma cristalina. El control de la transición vítrea también es importante en la producción de plásticos. Porque son gafas Los plásticos duros tienen una "memoria" de su historial térmico que afecta su desempeño y envejecimiento.