Los investigadores utilizaron pequeñas perlas dispuestas en una red cristalina para investigar cómo se derriten los sólidos bidimensionales. La investigación examinó los efectos de los defectos intersticiales:partículas adicionales en una estructura cristalina. Descubrieron que, si bien un intersticial era un poco diferente, dos intersticiales rompieron la simetría del enrejado. Los hallazgos ayudan a explicar por qué los sólidos 2-d se derriten antes de que las teorías predigan que deberían. Crédito:Ling Lab / Brown University
En 1972, Los físicos J. Michael Kosterlitz y David Thouless publicaron una teoría innovadora de cómo los cambios de fase podrían ocurrir en materiales bidimensionales. Los experimentos pronto demostraron que la teoría captó correctamente el proceso de una película de helio que pasa de un fluido superfluido a un fluido normal. ayudando a marcar el comienzo de una nueva era de investigación sobre materiales ultrafinos, sin mencionar la obtención de Kosterlitz, profesor de la Universidad de Brown, y Thouless acciones del Premio Nobel de Física 2016.
Pero la teoría de Kosterlitz-Thouless (K-T) tenía como objetivo explicar más que la transición superfluida. La pareja también esperaba que pudiera explicar cómo un sólido bidimensional podría fundirse en un líquido, pero los experimentos hasta ahora no han logrado validar claramente la teoría en ese caso. Ahora, Una nueva investigación de otro grupo de físicos de Brown podría ayudar a explicar el desajuste entre la teoría y el experimento.
La investigación, publicado en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , muestra cómo las impurezas (átomos "extra" en la estructura cristalina de un material) pueden alterar el orden de un sistema y hacer que la fusión comience antes de que la teoría K-T predice que debería hacerlo. Los hallazgos son un paso hacia una teoría física más completa de la fusión, dicen los investigadores.
"La transición sólido-líquido es algo con lo que todos estamos familiarizados, sin embargo, es un profundo fracaso de la física moderna que todavía no entendemos exactamente cómo sucede, "dijo Xinsheng Ling, profesor de física en Brown y autor principal del nuevo artículo. "Lo que mostramos es que las impurezas, que no están incluidas en la teoría K-T pero que siempre se encuentran en materiales reales, juegan un papel importante en el proceso de fusión".
Si bien los detalles siguen siendo un gran misterio, los científicos tienen un conocimiento básico de cómo se derriten los sólidos. A medida que aumenta la temperatura, los átomos en la red cristalina de un sólido comienzan a moverse. Si la sacudida se vuelve demasiado violenta para que la celosía se mantenga unida, el sólido se derrite en un líquido. Pero no se sabe cómo comienza exactamente el proceso de fusión y por qué comienza en ciertos lugares en un sólido en lugar de en otros.
Para este nuevo estudio, los investigadores utilizaron diminutas partículas de poliestireno suspendidas en agua altamente desionizada. Las fuerzas eléctricas entre las partículas cargadas hacen que se organicen en una red cristalina similar a la forma en que los átomos están dispuestos en un material sólido. Usando un rayo láser para mover partículas individuales, los investigadores pueden ver cómo los defectos de la red afectan el orden de la red.
Los defectos pueden presentarse en dos formas generales:vacantes, donde faltan partículas, e intersticiales, donde hay más partículas de las que debería haber. Este nuevo estudio analizó en particular el efecto de los intersticiales, que ningún estudio previo había investigado.
La investigación encontró que, si bien un intersticial en una región determinada hizo poca diferencia en el comportamiento de la red, dos anuncios intersticiales marcaron una gran diferencia.
"Lo que encontramos fue que dos defectos intersticiales rompen la simetría de la estructura de una manera que los defectos individuales no lo hacen. "Dijo Ling." Esa ruptura de simetría conduce a la fusión local antes de que K-T prediga ".
Eso es porque la teoría K-T se ocupa de los defectos que surgen de las fluctuaciones térmicas, y no defectos que puedan haber existido ya en la celosía.
"Los materiales reales son desordenados, "Dijo Ling." Siempre hay impurezas. En pocas palabras, el sistema no puede distinguir cuáles son impurezas y cuáles son defectos creados por la agitación térmica, lo que lleva a derretirse antes de lo que se predijo ".
La técnica utilizada para el estudio podría ser útil en otros lugares, dicen los investigadores. Por ejemplo, podría ser útil para estudiar la transición del vidrio duro a un líquido viscoso, un fenómeno relacionado con la transición sólido-líquido que también carece de una explicación completa.
"Creemos que hemos descubierto accidentalmente una nueva forma de descubrir los mecanismos que rompen la simetría en la física de los materiales, ", Dijo Ling." El método en sí puede terminar siendo lo más significativo de este artículo, además de los hallazgos ".
