Esta es una imagen de trayectorias atómicas en un líquido bidimensional, generado por simulaciones por computadora. La mayoría de las trayectorias son alargadas, y el alargamiento de trayectorias cercanas es similar. Esta es la firma visual de los movimientos colectivos encontrados por Li et al., lo que demuestra una diferencia fundamental entre líquidos bidimensionales y tridimensionales. Crédito:Universidad Tecnológica de Nanyang
Un equipo internacional de investigadores ha resuelto un rompecabezas de 50 años en mecánica estadística que ha demostrado que los líquidos bidimensionales (2-D) tienen propiedades dinámicas fundamentalmente diferentes a los líquidos tridimensionales (3-D).
Los investigadores utilizan rutinariamente experimentos y simulaciones en 2-D para representar líquidos en 3-D, simplemente porque los estudios en 2-D son más fáciles de hacer.
Con estos estudios, Los físicos apuntan a racionalizar las propiedades familiares de los fluidos macroscópicos, como la viscosidad, en términos del movimiento microscópico de las partículas, que en 2-D se puede visualizar directamente.
El equipo dirigido por el profesor asociado Massimo Pica Ciamarra en la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur) se propuso comprender el "movimiento térmico" de los átomos en líquidos 2-D y 3-D.
Usando una combinación de cálculos con lápiz y papel y simulaciones numéricas, predijeron que los átomos en líquidos 2-D pueden viajar largas distancias antes de "olvidar" efectivamente sus posiciones iniciales. Este comportamiento da lugar a un sutil movimiento colectivo de los átomos, de un tipo que antes solo se pensaba que ocurría en sólidos.
Para confirmar sus hallazgos teóricos, los investigadores realizaron experimentos que rastrearon los movimientos de partículas coloidales bajo un microscopio. En líquidos tridimensionales ordinarios, tales partículas ejecutan un tipo de movimiento aleatorio conocido como movimiento browniano.
Pero en líquidos bidimensionales, el equipo pudo demostrar que el movimiento browniano se superpone a los movimientos colectivos a gran escala. Anteriormente se creía que este movimiento colectivo solo ocurría en sólidos 2-D, como predijeron Mermin y Wagner en la década de 1960.
La prueba de la diferencia fundamental entre líquidos 2-D y 3-D fue obtenida por investigadores de NTU Singapur, el Centro Jawaharlal Nehru de Investigación Científica Avanzada en India, la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, y la Universidad de California (Los Ángeles) en Estados Unidos. Su trabajo fue publicado en noviembre en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ).
"Nuestro descubrimiento muestra que los líquidos bidimensionales y los líquidos tridimensionales no son solo variantes entre sí, pero fundamentalmente diferentes tipos de materia, ", dijo el profesor asociado Pica Ciamarra.
"Nuestros hallazgos ayudan a explicar muchas diferencias desconcertantes entre las propiedades dinámicas de los líquidos bidimensionales y tridimensionales, que había sido reportado en la literatura científica, ", dijo el profesor asociado Pica Ciamarra." Es sólo en 2-D, no en dimensiones 3-D o superiores, que el tiempo de relajación no es inversamente proporcional a la difusividad de las partículas ".
"Para extraer información relevante sobre la dinámica de los líquidos 3-D de las investigaciones 2-D", agregó el Dr. Y.-W. Li, coautor de este estudio, "Los investigadores deben desarrollar una forma de filtrar selectivamente el efecto de las oscilaciones de partículas colectivas observadas".
