Un equipo dirigido por Caltech resolvió recientemente un misterio de la ciencia de los materiales de hace décadas al rastrear el origen de la entropía en los vidrios metálicos.

Típicamente, Los átomos en la mayoría de los materiales se organizan en patrones estables y repetibles a lo largo de una cuadrícula, formando lo que generalmente se conoce como cristales. Por el contrario, Los vidrios metálicos son metales que se han calentado hasta licuarse, y luego se enfrían tan rápidamente que no tienen tiempo de cristalizar antes de solidificarse. En lugar de, tienen un amorfo, estructura de nivel atómico similar a un líquido que les confiere propiedades físicas únicas.

Un misterio persistente sobre los vidrios metálicos ocurre en la llamada "transición vítrea". Un vidrio metálico frío es duro y quebradizo, pero cuando se calienta más allá de cierto punto, la transición vítrea, se vuelve suave.

En la transición vítrea, Los científicos han notado un aumento repentino de la entropía en el material que se está calentando. En termodinámica, la entropía es la cantidad de energía en un sistema que no está disponible para realizar el trabajo, que está ligada a la cantidad de aleatoriedad en un sistema. En lo que respecta a las transiciones de fase, imagina que el hielo se derrite en agua. Cuando las moléculas de agua están encerradas en la estructura cristalina del hielo, se encuentran en un estado de baja energía con ubicaciones bastante predecibles. Cuando ese hielo se derrite en un líquido, esas moléculas de agua pueden fluir a casi cualquier posición, que es un aumento en la aleatoriedad, la entropía, del sistema.

"El origen de la enorme entropía del vidrio y el líquido en comparación con el cristal se ha discutido en la literatura científica desde que se descubrieron los vidrios metálicos en Caltech en 1960, "dice Hillary Smith de Caltech (MS '10, Doctorado '14), autor principal de un artículo reciente sobre la entropía en vidrios metálicos que se publicó en Física de la naturaleza . Smith es investigador en el laboratorio de Brent Fultz, Barbara y Stanley R. Rawn, Jr., Profesor de Ciencia de Materiales y Física Aplicada en la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Caltech, y coautor del artículo.

El equipo se centró en distinguir entre la cantidad de "entropía configuracional" y "entropía vibratoria", las dos fuentes principales de entropía en la mayoría de los materiales, en los vidrios metálicos.

Imagina tirar una bolsa de monedas sobre una mesa, y luego contando cuántos aterrizaron cara a cara versus cruz. Es posible obtener todas las caras o todas las cruces, pero estadísticamente es más probable que se obtengan medias caras y medias colas porque hay más formas de disponer las monedas en una configuración de mitad y mitad que en una configuración de todas las caras. En termodinámica, uno diría que la disposición de medias cabezas / medias colas tiene una entropía configuracional más alta.

Sin embargo, los átomos (a diferencia de las monedas) no se quedan quietos, sino que vibran en su posición. La cantidad de esta entropía vibratoria está determinada, en parte, por la rigidez de la estructura que mantiene sus átomos en su lugar.

"Al medir con precisión la cantidad de este calor que proviene de las configuraciones de los átomos y la cantidad que proviene de las vibraciones de los átomos, pudimos poner fin a esta controversia para los vidrios metálicos, "Dice Smith.

El equipo evaluó primero la entropía vibratoria de los metales tanto en forma de vidrio como de cristal. Para hacerlo utilizaron intensos rayos de neutrones en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Tennessee para bombardear cada material, haciendo sonar cada muestra como una campana y midiendo cómo respondió. También midieron la entropía total del vidrio y el cristal mediante una técnica llamada calorimetría.

"Medir la cantidad de entropía que proviene de las vibraciones de los átomos en un vidrio no era posible hace una década, "Dice Smith." Es sólo gracias a los rayos de neutrones increíblemente intensos disponibles en Oak Ridge que pudimos hacer este experimento. Finalmente, encontramos la pieza que faltaba al validar una teoría muy debatida que nunca había sido probada ".

Descubrieron que aunque la entropía total en el vaso es mucho mayor que en el cristal, sus entropías vibratorias son casi idénticas. Esto indica que la entropía en la estructura del vidrio surge casi exclusivamente de cómo se organizan los átomos; es decir, de la entropía configuracional.

Próximo, el equipo planea investigar otros tipos de gafas para determinar si el resultado es universal para todas las gafas.