Científicos de la Universidad Queen Mary de Londres han hecho dos descubrimientos sobre el comportamiento de la "materia supercrítica", materia en el punto crítico donde aparentemente desaparecen las diferencias entre líquidos y gases.

Si bien se entendía bien el comportamiento de la materia a temperatura y presión razonablemente bajas, la imagen de la materia a temperatura y presión altas era borrosa. Por encima del punto crítico, aparentemente desaparecen las diferencias entre líquidos y gases, y se pensaba que la materia supercrítica se volvía caliente, densa y homogénea.

Los investigadores creían que había nueva física aún por descubrir sobre este asunto en el estado supercrítico.

Al aplicar dos parámetros:la capacidad calorífica y la longitud sobre la que se pueden propagar las ondas en el sistema, hicieron dos descubrimientos clave. Primero, encontraron que hay un punto de inversión fijo entre los dos donde la materia cambia sus propiedades físicas, de líquido a gas. También encontraron que este punto de inversión está notablemente cerca en todos los sistemas estudiados, lo que nos dice que la materia supercrítica es intrigantemente simple y susceptible de una nueva comprensión.

Además de la comprensión fundamental de los estados de la materia y el diagrama de transición de fase, la comprensión de la materia supercrítica tiene muchas aplicaciones prácticas; el hidrógeno y el helio son supercríticos en los planetas gigantes gaseosos como Júpiter y Saturno y, por lo tanto, gobiernan sus propiedades físicas. En aplicaciones ambientales ecológicas, los fluidos supercríticos también han demostrado ser muy eficientes en la destrucción de desechos peligrosos, pero los ingenieros buscan cada vez más la orientación de la teoría para mejorar la eficiencia de los procesos supercríticos.

Kostya Trachenko, profesor de física en la Universidad Queen Mary de Londres, dijo:"La universalidad afirmada de la materia supercrítica abre el camino a una nueva imagen físicamente transparente de la materia en condiciones extremas. Esta es una perspectiva emocionante desde el punto de vista de la fundamental". física, así como comprender y predecir propiedades supercríticas en aplicaciones ambientales ecológicas, astronomía y otras áreas.

"Este viaje está en curso y es probable que vea desarrollos emocionantes en el futuro. Por ejemplo, invita a preguntarse si el punto de inversión fijo está relacionado con las transiciones de fase de orden superior convencionales. ¿Se puede describir usando las ideas existentes involucradas en la teoría de transición de fase, o se necesita algo nuevo y bastante diferente? A medida que superamos los límites de lo que se conoce, podemos identificar estas nuevas preguntas interesantes y comenzar a buscar respuestas".

Metodología

El principal problema para comprender la materia supercrítica era que las teorías de gases, líquidos y sólidos no eran aplicables. No quedó claro qué parámetros físicos descubrirían las propiedades más destacadas del estado supercrítico.

Armados con una comprensión anterior de los líquidos a menor temperatura y presión, los investigadores utilizaron dos parámetros para describir la materia supercrítica.

1. El primer parámetro es la propiedad de uso común:esta es la capacidad calorífica que muestra la eficiencia con la que el sistema absorbe calor y contiene información esencial sobre los grados de libertad del sistema.

2. El segundo parámetro es menos común:esta es la longitud sobre la cual las ondas pueden propagarse en el sistema. Esta longitud gobierna el espacio de fase disponible para los fonones. Cuando esta longitud alcanza su valor más pequeño posible y se vuelve igual a la separación interatómica, sucede algo realmente interesante.

Los científicos descubrieron que, en términos de estos dos parámetros, la materia en condiciones extremas de alta presión y temperatura se vuelve notablemente universal.

Esta universalidad es doble. En primer lugar, la gráfica de la capacidad calorífica frente a la longitud de propagación de la onda tiene un punto de inversión fijo sorprendente que corresponde a la transición entre dos estados supercríticos físicamente diferentes:estados similares a líquidos y estados similares a gases. Al cruzar este punto de inversión, la materia supercrítica cambia sus propiedades físicas clave. El punto de inversión sirve de manera importante como una forma inequívoca de separar los dos estados, algo que ha ocupado la mente de los científicos durante algún tiempo.

En segundo lugar, la ubicación de este punto de inversión es notablemente cercana en todos los tipos de sistemas estudiados. Esta segunda universalidad es notablemente diferente a todos los demás puntos de transición conocidos. Por ejemplo, dos de estos puntos de transición, el punto triple donde coexisten los tres estados de la materia (líquido, gas, sólido) y el punto crítico donde termina la línea de ebullición gas-líquido, son diferentes en diferentes sistemas. Por otro lado, el mismo punto de inversión en todos los sistemas en condiciones supercríticas extremas nos dice que la materia supercrítica es intrigantemente simple.

Descubrir y probar esta simplicidad es el principal resultado del artículo, "Doble universalidad de la transición en el estado supercrítico", publicado en Science Advances . + Explora más

Límites de fase a escala molecular:una transición líquido-gas 'primitiva'