La primera evidencia experimental para validar una ley universal recientemente publicada que brinda información sobre los complejos estados de energía de los líquidos se encontró utilizando una técnica nuclear avanzada en ANSTO.

El trabajo acaba de ser publicado en el Journal of Physical Chemistry Letters como elección del editor y aparece en la portada de la revista.

La ecuación para la densidad vibratoria de los estados formulada por Alessio Zaccone y Matteo Bagglioli se publicó en un artículo en PNAS en 2021, brindando una respuesta a una pregunta que ha sido esquiva durante al menos un siglo.

La elegante teoría matemática ha resuelto el problema de obtener la distribución de estos complejos estados de energía para líquidos.

"Una de las cantidades más importantes en la física de la materia es la distribución de las frecuencias o energías vibratorias de las ondas que se propagan en el material. Es particularmente importante ya que es el punto de partida para calcular y comprender algunas propiedades fundamentales de la materia, como el calor específico y la conductividad térmica, y la interacción luz-materia ", dijo el profesor Zaccone en el sitio web de la Universidad de Milán.

"El gran problema con los líquidos es que, además de las ondas acústicas, existen otros tipos de excitaciones vibratorias relacionadas con bajas energías del movimiento desordenado de átomos y moléculas, excitaciones que casi no existen en los sólidos. Estas excitaciones suelen ser de corta duración. y están ligadas al caos dinámico de los movimientos moleculares pero sin embargo son muy numerosas e importantes, especialmente a bajas energías.Matemáticamente, estas excitaciones, conocidas como 'modos normales instantáneos' o INMs en la literatura especializada son muy difíciles de tratar ya que corresponden a estados de energía descritos por números imaginarios".

El espectrómetro de neutrones de tiempo de vuelo Pelican del Centro de Dispersión de Neutrones de ANSTO se ha utilizado para medir las densidades vibratorias de los estados de varios sistemas líquidos, incluidos el agua, el metal líquido y los polímeros líquidos. El instrumento Pelican tiene la extrema sensibilidad para medir vibraciones de rotación y traslación en intervalos de tiempo cortos y con bajas energías.

Los experimentos en ANSTO confirmaron la relación lineal de la densidad vibratoria de los estados con frecuencia a bajas energías según lo predicho por Alessio Zaccone y Matteo Bagglioli, como se muestra en la figura a continuación.

Con el bloqueo de COVID, sin acceso a los instrumentos, el pequeño equipo que incluía a la Universidad de Wollongong Ph.D. el candidato Caleb Stamper, el Dr. Cortie y el Dr. Yu decidieron centrarse en volver a analizar los datos experimentales anteriores desde una nueva perspectiva, para validar la nueva ley, inspirados en el trabajo teórico de Alessio Zaccone y Matteo Bagglioli.

"El ejercicio no solo logra un gran resultado, sino que también proporciona una buena introducción a la espectroscopia de neutrones para Caleb, quien ha hecho un trabajo excelente", dijo el Dr. Yu como supervisor ANSTO de Caleb y autor correspondiente del artículo.

El trabajo también les ayudaría a abordar cuestiones relacionadas con las transiciones de fase en líquidos superiónicos en su trabajo sobre materiales termoeléctricos.

"Surgen grandes desafíos porque los líquidos no son mecánicamente estables, ya que los átomos en un líquido se difunden y el líquido en su conjunto fluirá", explicó el Dr. Cortie.

La ley universal se basa en un marco teórico, conocido como modos normales instantáneos, como lo describió anteriormente el profesor Zaccone, que prescribe un conjunto de fuerzas, frecuencias y velocidades instantáneas como cantidades.

Surgió una complicación al derivar una teoría para predecir la densidad vibratoria de los estados en los líquidos debido a la presencia de una pequeña fracción de "modos imaginarios".

"Los modos imaginarios son importantes porque representan el hecho de que un líquido no es estable. Los átomos en un líquido interactúan fuertemente entre sí todo el tiempo, pero no de la misma manera que lo hace un sólido. La relación no es 'armónica', lo que significa que los átomos no se restaurarán a la misma configuración después de una interacción. Los átomos continuarán difundiéndose rápidamente y deslizándose entre sí", dijo Stamper.

"Los modos imaginarios reflejan la curvatura negativa en la superficie de energía potencial de un líquido. Es un paisaje energético muy complejo, pero si piensas en la analogía de un surfista en una ola del océano. Los átomos en el líquido siguen las curvas de la ola. (ver la portada de la revista). Pero los átomos pueden estar en una posición en la cresta, debajo de la tabla de surf o en el canal, siempre moviéndose", dijo el Dr. Yu.

"La ley jugará, para los líquidos, el mismo papel central que la ley de Debye juega para los sólidos. Servirá como base para todo el campo de investigación relacionado con los líquidos y más allá". + Explora más

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