La transición vítrea es un gran desafío en la física de la materia condensada y aún revela sorpresas, a pesar de décadas de intensa investigación. Por ejemplo, hasta ahora se pensaba que la difusión en líquidos vítreos era cualitativamente similar a la de los líquidos "calientes" convencionales, al menos durante tiempos de observación prolongados. Nueva investigación publicada en Physical Review Letters demuestra que este no es el caso:la difusión a largo plazo en líquidos vítreos es de hecho "fickiana pero no gaussiana" (FnGD), una característica intrigante descubierta previamente en fluidos complejos y biológicos. Sin embargo, a diferencia de esos sistemas, FnGD en líquidos vítreos se vuelve dramático cuando se acerca a la transición vítrea y parece estar caracterizado por leyes de escala universales. El estudio, que combina experimentos y simulaciones, fue realizado por Francesco Rusciano (estudiante de doctorado), Raffaele Pastore y Francesco Greco en el grupo de Mecánica Estadística de Materiales Blandos de la Universidad de Nápoles Federico II.

El problema de la transición vítrea

Después de décadas de esfuerzos experimentales y teóricos por parte de una amplia comunidad científica, la transición vítrea sigue siendo un gran tema abierto en los campos de la materia condensada y los sistemas complejos, como lo demuestra el Premio Nobel recientemente otorgado a Giorgio Parisi, una de las principales figuras en este tema. Pero, ¿qué es un vaso? Brevemente, cuando un líquido molecular se enfría rápidamente por debajo de su temperatura de fusión, se puede evitar la cristalización. En este estado, sin embargo, incluso las caídas de temperatura modestas hacen que la viscosidad aumente en órdenes de magnitud y, finalmente, conducen a "vidrio", un material que es mecánicamente sólido pero que mantiene la estructura microscópica desordenada típica de un líquido. Por lo tanto, la transición vítrea desafía una suposición fundamental en la materia condensada, a saber, que la estructura microscópica y la respuesta mecánica de un material están estrechamente relacionadas. Curiosamente, ha surgido que la transición vítrea no es una prerrogativa de los líquidos moleculares únicamente, sino que también ocurre en otros sistemas, como las suspensiones coloidales de concentración creciente. Si bien el desarrollo de una teoría integral para la vitrificación es todavía un tema de debate activo, ahora está claro que la presencia de heterogeneidad dinámica juega un papel importante, es decir, la coexistencia duradera de grupos de rápido y lento. partículas en movimiento. De hecho, los líquidos vítreos se consideran un modelo paradigmático de heterogeneidad dinámica.

Difusión fickiana no gaussiana

Si bien la transición vítrea es un problema de larga data, FnGD es mucho más reciente. La difusión de partículas en líquidos convencionales y en muchos otros sistemas se caracteriza por un desplazamiento cuadrático medio (MSD) de partículas que aumenta linealmente en el tiempo (Fickian) y por una distribución de desplazamiento gaussiana, como predijo el célebre trabajo de Einstein sobre el movimiento browniano y su interpretación en términos de Caminata aleatoria. Sin embargo, en algunos sistemas, como redes de fibra o materiales porosos, se encuentra que la difusión no es fickiana ni gaussiana y, por lo tanto, se denomina "difusión anómala". Debido a estas observaciones, se pensó que los comportamientos fickianos y gaussianos ocurrían juntos o no ocurrían en absoluto.

Esta expectativa común fue resquebrajada en 2009 por experimentos innovadores en el grupo de Granick (Universidad de Urbana, Illinois), que revelaron la existencia de un nuevo tipo de difusión, siendo simultáneamente fickiana pero no gaussiana. Desde su descubrimiento en fluidos biológicos, FnGD se ha encontrado en una amplia variedad de sistemas de materia blanda, pero su comprensión sigue siendo difícil de alcanzar. Sin embargo, la aparición de FnGD se asocia genéricamente a cierta heterogeneidad estructural o dinámica del entorno donde se mueven las partículas.

Difusión fickiana no gaussiana en líquidos vítreos

La concomitancia generalizada de heterogeneidad y FnGD motivó a los investigadores de la Universidad de Nápoles Federico II a buscar la posible aparición de FnGD en líquidos formadores de vidrio, el epítome de la heterogeneidad dinámica, basándose en experimentos sobre suspensiones coloidales y simulaciones de líquidos moleculares. El estudio demuestra que FnGD no solo está presente en líquidos vítreos, sino que también se vuelve muy marcado y duradero al acercarse a la transición vítrea. El estudio también muestra que las leyes de potencia universales capturan la relación entre las escalas de tiempo para el inicio de Fickianity y para la restauración de Gaussianity, así como la dependencia temporal de las colas exponenciales de las distribuciones de desplazamiento.

En general, estos hallazgos abren el camino a una fertilización cruzada de ideas entre los dos temas de FnGD y la transición vítrea. Por un lado, FnGD es la clave para comprender la difusión a largo plazo en líquidos vítreos y para revisar conceptos bien establecidos, como el de heterogeneidad dinámica. Por otro lado, la fuerte firma de FnGD que se acaba de encontrar en líquidos vítreos probablemente puede representar un punto de referencia para futuros estudios de FnGD en otros sistemas. + Explora más

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