Investigadores de la Universidad de Tokio se propusieron recientemente comprender mejor las diferencias entre gafas y geles, centrándose específicamente en sus propiedades elásticas. Su artículo, publicado en Nature Physics , arroja luz sobre el origen y la evolución de la elasticidad en estas dos clases de sólidos amorfos.

"Nuestra investigación comenzó observando los cambios mecánicos únicos en los geles coloidales durante el envejecimiento", dijo a Phys.org Hajime Tanaka, autor principal del artículo. "Aunque los vidrios y los geles tienen características similares a las de los sólidos amorfos, como rigidez sin orden y dinámica más lenta durante el envejecimiento, encontramos algo inesperado.

"Al estudiar cómo cambia el módulo elástico de los geles coloidales con el tiempo, descubrimos una tendencia sorprendente:en lugar de volverse más rígidos con el tiempo como los vasos, los geles en realidad se suavizaron después de un período prolongado de envejecimiento, aproximadamente dos meses para partículas coloidales de 2 μm". /P>

En su investigación anterior, Tanaka y sus colaboradores reunieron hallazgos que desafiaron las nociones existentes sobre cómo los sólidos amorfos evolucionan con el tiempo. En concreto, sus estudios encontraron que la dinámica del envejecimiento en este tipo de sólidos no siempre conduce a un aumento de la rigidez.

"Este hallazgo inesperado nos hizo sentir curiosidad por las diferencias entre gafas y geles y sus causas", explicó Tanaka. "Nuestro estudio tenía como objetivo descubrir las propiedades elásticas únicas de los vidrios y geles y comprender las razones detrás de ellas. También queríamos aprender cómo la relación entre estructura y dinámica afecta las propiedades mecánicas de los sólidos amorfos."

Para estudiar las propiedades elásticas de los vidrios y geles coloidales, los investigadores realizaron simulaciones de dinámica de Langevin tridimensionales (3D). Estas simulaciones les permitieron modelar tanto vidrios coloidales caracterizados por partículas repulsivas como geles coloidales con partículas atractivas.

"Estudiamos el proceso de envejecimiento de ambos sistemas haciéndolos pasar rápidamente de estados de equilibrio a estados de fuera de equilibrio", dijo Yinqiao Wang, primer autor del artículo. "Para imitar las condiciones experimentales, primero permitimos que las partículas en ambos sistemas se equilibraran en estados líquidos. Luego, aumentamos rápidamente la fracción de empaquetamiento más allá del umbral de transición vítrea para formar vidrios coloidales. Por el contrario, para los geles coloidales, rápidamente bajamos la temperatura muy por debajo la temperatura de desmezcla gas-líquido."

Mientras observaban el proceso de envejecimiento de los dos sistemas modelados, los investigadores siguieron cuidadosamente la evolución de su elasticidad, teniendo en cuenta también las fluctuaciones térmicas. Esto se hizo utilizando deformaciones oscilatorias de pequeña amplitud o resolviendo directamente la matriz de Hesse.

"Al mismo tiempo, analizamos los cambios en la dinámica y estructura vibratoria, incluidos los parámetros de orden de orientación y la anisotropía de Voronoi en vidrios, así como las conectividades a escalas de partículas y redes en geles", explicó Tanaka. "Nuestros resultados resaltan la intrincada interacción entre la estructura, la dinámica (fluctuaciones térmicas) y las propiedades elásticas en sistemas desordenados que no están en equilibrio, centrándose en dos sólidos amorfos típicos:vidrios coloidales y geles".

Tanaka y sus colegas descubrieron que, si bien los vidrios y los geles comparten algunas propiedades similares a las de los sólidos amorfos en desequilibrio, sus propiedades elásticas son marcadamente diferentes. Su artículo también aclara algunos de los mecanismos únicos que subyacen a los comportamientos respectivos de estos dos tipos de sistemas.

"Nuestro trabajo no sólo proporciona información valiosa sobre la física fundamental del desequilibrio, sino que también tiene importantes implicaciones para la ciencia de los materiales", dijo Tanaka. "Ofrece una base física para distinguir entre gafas y geles, particularmente en escenarios desafiantes como los estados no ergódicos de las suspensiones de Laponite."

El trabajo reciente de este equipo de investigación contribuye a la comprensión de los procesos físicos que subyacen a la elasticidad en vidrios y geles coloidales. Los nuevos conocimientos que proporciona pronto podrían servir de base para el diseño y la fabricación de sólidos amorfos con las propiedades elásticas deseadas.

"En nuestras investigaciones futuras, investigaremos exhaustivamente las propiedades mecánicas de los sólidos amorfos, incluidos los materiales granulares, los vidrios repulsivos/atractivos y los geles", añadió Tanaka. "Nuestro objetivo es profundizar nuestra comprensión de estos complejos sistemas desordenados a través de una exploración sistemática, con el objetivo de desentrañar sus mecanismos subyacentes y sus implicaciones en varios sistemas materiales".