El nuevo algoritmo del equipo es capaz de simular configuraciones moleculares de líquidos superenfriados por debajo de la transición vítrea. Las propiedades de estas configuraciones están ayudando a resolver una paradoja de 70 años sobre la entropía de los vidrios. Crédito:Misaki Ozawa y Andrea Ninarello, Universidad de Montpellier
Si pudieras ponerte un par de gafas de natación, encogete como un personaje de The Magic School Bus y sumérgete profundamente dentro de un líquido, verías una multitud de moléculas festejando como si fuera 1999.
Todo este movimiento frenético facilita que las moléculas se reorganicen y que el líquido en su conjunto cambie de forma. Pero para los líquidos sobreenfriados, líquidos como la miel que se enfrían por debajo de su punto de congelación sin cristalizar, la temperatura más baja ralentiza el baile como "At Last" de Etta James. Baja la temperatura lo suficiente, y la desaceleración puede ser tan dramática que se necesitan siglos o incluso milenios para que las moléculas se reorganicen y el líquido se mueva.
Los científicos no pueden estudiar procesos que duren más que sus carreras. Pero los químicos de Duke y sus colaboradores de la Fundación Simons han encontrado una manera de engañar al tiempo, simulando la danza lenta de líquidos profundamente sobreenfriados. Por el camino, han descubierto nuevas propiedades físicas en líquidos y vasos superenfriados "envejecidos".
Para comprender cuán lentos se mueven los líquidos profundamente superenfriados, considere el experimento de mayor duración del mundo, el Experimento Pitch Drop de la Universidad de Queensland. Se forma una sola gota de brea cada ocho a trece años, y esta brea se mueve más rápido que los líquidos profundamente sobreenfriados.
"Experimentalmente hay un límite a lo que puedes observar, porque incluso si lo lograras a lo largo de toda tu carrera, que todavía es un máximo de 50 años, "dijo Patrick Charbonneau, profesor asociado de química y física en Duke. "Para muchas personas que se consideraba un techo de vidrio duro, más allá de lo cual no se puede estudiar el comportamiento de los líquidos sobreenfriados ".
Crédito:Ruben Alexander a través de Flickr
Charbonneau, que es un experto en simulaciones numéricas, dijo que el uso de computadoras para simular el comportamiento de líquidos sobreenfriados tiene limitaciones de tiempo aún más pronunciadas. Él estima que, dada la tasa actual de avance de la computadora, Pasarían de 50 a 100 años antes de que las computadoras fueran lo suficientemente potentes para que las simulaciones superaran las capacidades experimentales, e incluso entonces las simulaciones tardarían meses.
Para romper este techo de cristal el grupo Charbonneau colaboró con Ludovic Berthier y su equipo, que estaban desarrollando un algoritmo para evitar estas limitaciones de tiempo. En lugar de tomar meses o años para simular cómo cada molécula en un líquido sobreenfriado se agita hasta que las moléculas se reorganizan, el algoritmo elige moléculas individuales para intercambiar lugares entre sí, creando nuevas configuraciones moleculares.
Esto permite al equipo explorar nuevas configuraciones que podrían tardar milenios en formarse de forma natural. Estos líquidos "líquidos profundamente superenfriados y vasos ultra-envejecidos" tienen una energía más baja, y más estable, que cualquiera observado antes.
Los vasos que se cultivan una capa a la vez tienen una estructura muy diferente a los vasos a granel. El equipo utilizó su nuevo algoritmo para estudiar cómo se reorganizan las moléculas de estos vasos, y descubrió que a bajas temperaturas (derecha), solo las moléculas de la superficie son móviles. Los resultados pueden usarse para diseñar mejores tipos de vidrio para la administración de fármacos o revestimientos protectores. Crédito:Elijah Flenner
"Estábamos engañando al tiempo en el sentido de que no teníamos que seguir la dinámica del sistema, ", Dijo Charbonneau." Pudimos simular líquidos profundamente superenfriados mucho más allá de lo que es posible en los experimentos, y abrió muchas posibilidades ".
El verano pasado, el equipo utilizó esta técnica para descubrir una nueva transición de fase en vidrios de baja temperatura. Recientemente publicaron dos estudios adicionales, uno de los cuales arroja luz sobre la "paradoja de Kauzmann, "una pregunta de 70 años sobre la entropía de los líquidos superenfriados por debajo de la transición vítrea. La segunda explora la formación de vidrios depositados por vapor, que tienen aplicaciones en la administración de fármacos y revestimientos protectores.
"La naturaleza solo tiene una forma de equilibrarse, simplemente siguiendo la dinámica molecular, "dijo Sho Yaida, becario postdoctoral en el laboratorio de Charbonneau. "Pero lo mejor de las simulaciones numéricas es que puedes modificar el algoritmo para acelerar tu experimento".
