Investigadores de la Universidad de Tokio informan que la entropía estructural de dos cuerpos es la cantidad clave para comprender la dinámica de los líquidos superenfriados cizallados y también el mecanismo detrás del fenómeno del adelgazamiento por cizallamiento.

Líquidos superenfriados

Los líquidos son el estado de la materia menos comprendido. Siendo intermedio entre gases y sólidos, su comportamiento es una mezcla impredecible de ambos. Particularmente inusuales son los líquidos formadores de vidrio, que se pueden enfriar por debajo de su punto de congelación sin cristalizar. Dichos líquidos superenfriados se vuelven viscosos con una disminución de la temperatura, y eventualmente se convierten en sólidos vítreos (vidrios) por debajo de la temperatura de transición vítrea. Vemos este comportamiento amable en el proceso de soplado de vidrio.

Ahora, en un artículo publicado en PNAS , dos investigadores del Instituto de Ciencias Industriales (IIS) de la Universidad de Tokio han revelado nuevos conocimientos sobre el comportamiento de los líquidos superenfriados que fluyen mediante cizallamiento.

Líquidos superenfriados cortados

Inicialmente, como un líquido superenfriado se hace fluir por cizallamiento ("tirando"), su viscosidad permanece sin cambios. Pero a medida que se hace que el líquido fluya más rápido, la viscosidad comienza a disminuir sorprendentemente y se vuelve más fácil que el líquido fluya (es decir, se vuelve menos pegajoso). Este fenómeno se llama adelgazamiento por cizallamiento, y es un proceso de importancia industrial, como cuando dos superficies lubricadas se deslizan fácilmente una contra la otra. A pesar de décadas de investigación y gran esfuerzo de muchos investigadores, el mecanismo detrás del adelgazamiento por cizallamiento sigue siendo desconocido.

Los investigadores de IIS utilizaron simulaciones por computadora de tarjetas gráficas (GPU) para simular varios líquidos superenfriados de modelos de computadora a medida que se hacían fluir por cizallamiento. El líquido superenfriado cizallado no solo fluye más fácilmente; la disposición de las moléculas también cambia con el aumento del flujo (también llamada estructura del líquido). Estos hechos hacen que los líquidos superenfriados cizallados sean difíciles de describir utilizando teorías fundamentales. En cambio, los investigadores de IIS utilizaron la entropía para describir la dinámica de los líquidos superenfriados cizallados. La entropía es una medida de cuán ordenado está un sistema; un cristal tiende a ser más ordenado que un líquido y, por lo tanto, tiene una entropía más baja.

"Al considerar la disposición de las moléculas bajo cizallamiento, podríamos conectar el comportamiento de los líquidos superenfriados bajo cizallamiento con un concepto fundamental en física, a saber, la entropía; o más específicamente, la entropía estructural de dos cuerpos, "dice el coautor Trond S. Ingebrigtsen". Además, Como la entropía de dos cuerpos se puede calcular fácilmente en experimentos, nuestros resultados pueden verificarse no solo mediante simulaciones por computadora. Los intentos anteriores de utilizar la entropía de dos cuerpos se encontraron con problemas como el cambio en la disposición de las moléculas bajo cizallamiento, o anisotropía estructural, no se tuvo en cuenta ".

Como se hace que un líquido fluya más rápido bajo cizallamiento, la disposición de las moléculas debe adaptarse a la nueva situación, e inducir lo que se llama anisotropía estructural en el líquido. Esto significa que, por ejemplo, la estructura medida con respecto a la dirección del flujo resultará diferente e influirá en las propiedades del sistema en su conjunto.

"Al modificar la entropía de dos cuerpos para tener en cuenta estos cambios estructurales que ocurren bajo cizalla, pudimos describir la dinámica de cizallamiento utilizando el comportamiento del líquido sin cizallamiento. Descubrimos que la entropía de dos cuerpos calculada a lo largo del llamado eje extensional del flujo era la cantidad clave para describir la dinámica de cizallamiento. La entropía de dos cuerpos en las otras direcciones podría ignorarse con seguridad, "Dice Ingebrigtsen." Intuitivamente, la estructura a lo largo de la dirección extensional es importante ya que el flujo de cizallamiento en esta dirección se abre para más espacio y las moléculas pueden escapar más fácilmente ".

Las simulaciones por computadora no descubrieron el mecanismo completo detrás del adelgazamiento por cizallamiento, pero el descubrimiento de la correlación de la dinámica de cizallamiento con la entropía estructural de dos cuerpos proporcionó nuevos conocimientos sobre los cambios estructurales relevantes para comprender el fenómeno del adelgazamiento por cizallamiento.

"Nos complació mucho que todos nuestros líquidos modelo simulados dieran resultados tan claros, dado que fueron elegidos para cubrir una amplia gama de líquidos modelo especialmente relevantes para experimentos, "explica el coautor Hajime Tanaka". Ahora, el desafío es comprender con más detalle el mecanismo microscópico detrás de estas observaciones para comprender completamente el mecanismo detrás del adelgazamiento por cizallamiento. Seguimos siendo muy positivos a este respecto ".