Todo el mundo sabe que el agua se congela a 0 grados C. La vida en la Tierra sería muy diferente si no fuera así. Sin embargo, prima del agua, sílice, exhibe un comportamiento caprichoso cuando se enfría, lo que ha desconcertado a los científicos durante mucho tiempo.

A diferencia del agua, sílice (SiO ₂ ) no se congela fácilmente. Cuando la sílice líquida se enfría, sus átomos no se organizan en un cristal ordenado. En lugar de, a medida que la temperatura disminuye, el estado líquido sobrevive incluso muy por debajo de la temperatura de congelación nominal. Este fenómeno se llama sobreenfriamiento. Finalmente, los átomos simplemente están bloqueados en su lugar donde sea que estén, preservando el desorden estructural del líquido. El estado congelado resultante de la materia:mecánicamente sólido, pero microscópicamente parecido a un líquido, es un vaso.

La preferencia de la sílice por la formación de vidrio tiene importantes consecuencias, ya que se encuentra entre los compuestos más abundantes en la Tierra. En algunas formas, la sílice y el agua son iguales:tienen geometrías de coordinación similares con simetría tetraédrica, y ambos muestran una tendencia inusual a volverse menos densos por debajo de una cierta temperatura al enfriarse, pero más fluido al presurizar. Incluso muestran estructuras cristalinas análogas cuando la sílice puede ser inducida a congelarse.

Recientemente, Los investigadores del Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio descubrieron pistas vitales sobre por qué el agua y la sílice divergen tan marcadamente cuando se enfrían. En un estudio publicado en PNAS , sus simulaciones revelaron la influencia de la disposición simétrica local de los átomos en estado líquido sobre la cristalización. Resulta que los átomos se organizan correctamente en el agua, mientras que no en la sílice.

Cuando los líquidos se enfrían, el orden surge de la aleatoriedad, a medida que los átomos se ensamblan en patrones. Desde el punto de vista de cualquier átomo individual, una serie de conchas concéntricas aparecen a medida que sus vecinos se reúnen. Tanto en agua como en sílice, la primera capa (alrededor de cada átomo de O o Si, respectivamente) tiene forma tetraédrica, un caso de ordenación orientacional, o "ruptura de simetría". La diferencia clave es la estructura de la segunda capa. Para agua, todavía está dispuesto correctamente con orden de orientación, pero para la sílice, el segundo caparazón está manchado aleatoriamente con poco orden de orientación.

"En agua, las estructuras ordenadas localmente son precursoras del hielo; es decir, cristales tetraédricos de H2O, "explica el coautor Rui Shi." El orden orientacional, o ruptura de la simetría rotacional, en estado líquido explica por qué el agua se congela tan fácilmente. En sílice superenfriada, sin embargo, la falta de ordenamiento orientacional evita la cristalización, resultando en una fácil formación de vidrio. En otras palabras, la simetría rotacional es más difícil de romper en la estructura líquida de la sílice, y con un orden menos orientativo ".

Los investigadores explican esta diferencia comparando la unión de las dos sustancias. El agua se compone de moléculas individuales de H2O, unidos por fuertes enlaces covalentes pero interactuando a través de enlaces de hidrógeno más débiles. La estructura molecular estable del agua restringe la libertad de los átomos, dando como resultado un alto orden de orientación en el agua. Sílice, sin embargo, no tiene forma molecular, y los átomos están enlazados como resultado de una manera menos direccional, conduciendo a un orden de orientación deficiente.

"Demostramos que las diferencias macroscópicas entre el agua y la sílice se originan en el mundo microscópico de la unión, ", dice el autor correspondiente Hajime Tanaka." Esperamos extender este principio a otras sustancias, como el carbono líquido y el silicio, que son estructuralmente similares al agua y la sílice. El objetivo final es desarrollar una teoría general de cómo los formadores de vidrio se diferencian de los formadores de cristal, que es algo que los científicos han eludido hasta ahora ".