Científicos del Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio utilizaron simulaciones de dinámica molecular para comprender mejor las propiedades inusuales de los sólidos amorfos, como el vidrio. Descubrieron que ciertos defectos dinámicos ayudan a explicar los modos vibratorios permitidos dentro del material. Este trabajo puede conducir al control de las propiedades de los materiales amorfos.

A veces, el vidrio caro se anuncia como "cristal", pero para los científicos de materiales, esto no podría estar más lejos de la verdad. Los cristales están formados por átomos dispuestos en patrones ordenados y repetitivos, mientras que el vidrio es un sólido amorfo y desordenado. Los científicos saben que, a bajas temperaturas, muchos materiales desordenados tienen propiedades muy similares entre sí, incluido el calor específico y la conductividad térmica. Además, estas propiedades difieren significativamente de las de los materiales hechos de cristales ordenados. Además, en un cierto rango de frecuencia, los materiales vítreos tienen una mayor cantidad de modos de vibración disponibles que los cristales, lo que se conoce en el campo como el "pico de bosón". Si bien se han propuesto varias teorías, los mecanismos físicos subyacentes para estas observaciones siguen siendo una cuestión de investigación activa.

Ahora, los científicos de la Universidad de Tokio han utilizado sofisticadas simulaciones por computadora de dinámica molecular para calcular numéricamente los factores de estructura dinámica transversal y longitudinal de los modelos de gafas en una amplia gama de frecuencias. Descubrieron que los movimientos vibratorios similares a cuerdas, en los que las líneas curvas de partículas empaquetadas en forma de "C" dentro del material pueden moverse juntas, resultaron ser impulsores importantes de los efectos anómalos. "Estos defectos dinámicos proporcionan una explicación común para el origen de los modos dinámicos más fundamentales de los sistemas vítreos", dice el primer autor Yuan-Chao Hu. Además del pico del bosón, estos defectos dinámicos similares a cuerdas pueden comprometer los tipos de relajación rápida y lenta observados en las partículas que componen el vidrio.

Esta investigación tiene muchas implicaciones importantes tanto para la ciencia básica como para las aplicaciones industriales porque el pico del bosón se encuentra en muchos sistemas, no solo en las gafas. "Mostramos que el pico del bosón se origina a partir de vibraciones casi localizadas de defectos dinámicos similares a cuerdas", dice el autor principal Hajime Tanaka. Ser capaz de explicar esta característica arrojará luz sobre muchos otros tipos de materiales desordenados. También beneficiará a muchos usuarios de dispositivos inteligentes, ya que casi todos los teléfonos inteligentes, tabletas y computadoras portátiles con pantalla táctil se basan en materiales de vidrio que los hallazgos de este estudio pueden mejorar.

El trabajo se publica en Nature Physics . + Explora más

Arrojando luz sobre los sistemas desordenados y fractales