Físicos de Darmstadt investigan los procesos de envejecimiento de los materiales. Por primera vez midieron el tictac de un reloj interno en vidrio. Al evaluar los datos, descubrieron un fenómeno sorprendente.
Experimentamos que el tiempo tiene una sola dirección. ¿Quién ha visto alguna vez una taza estrellarse contra el suelo y luego volverse a montar espontáneamente? Para los físicos esto no es inmediatamente evidente, porque las fórmulas que describen los movimientos se aplican independientemente de la dirección del tiempo.
Un vídeo de un péndulo oscilando sin obstáculos, por ejemplo, se vería igual si corriera hacia atrás. La irreversibilidad cotidiana que experimentamos sólo entra en juego a través de otra ley de la naturaleza, la segunda ley de la termodinámica. Esto afirma que el desorden en un sistema crece constantemente. Sin embargo, si el vaso roto se volviera a montar, el desorden disminuiría.
Se podría pensar que el envejecimiento de los materiales es tan irreversible como la rotura de un vaso. Sin embargo, al investigar los movimientos de las moléculas de vidrio o plástico, los físicos de Darmstadt han descubierto que estos movimientos son reversibles en el tiempo si se ven desde una determinada perspectiva.
El equipo dirigido por Till Böhmer en el Instituto de Física de la Materia Condensada de la Universidad Técnica de Darmstadt ha publicado sus resultados en Nature Physics. .
Los vasos o plásticos están formados por una maraña de moléculas. Las partículas están en constante movimiento, lo que hace que se deslicen a nuevas posiciones una y otra vez. Buscan permanentemente un estado energético más favorable, lo que cambia las propiedades del material con el tiempo:el vidrio envejece.
Sin embargo, en materiales útiles como el cristal de las ventanas, esto puede tardar miles de millones de años. El proceso de envejecimiento puede describirse mediante lo que se conoce como "tiempo material". Imagínelo así:el material tiene un reloj interno que funciona de manera diferente al reloj de la pared del laboratorio. El tiempo material avanza a diferente velocidad dependiendo de qué tan rápido se reorganicen las moléculas dentro del material.
Sin embargo, desde que se descubrió el concepto hace unos 50 años, nadie ha logrado medir el tiempo material. Ahora, los investigadores de Darmstadt dirigidos por el Prof. Thomas Blochowicz lo han logrado por primera vez.
"Fue un enorme desafío experimental", afirma Böhmer. Las minúsculas fluctuaciones de las moléculas tuvieron que documentarse mediante una cámara de vídeo ultrasensible. "No se puede simplemente observar cómo se mueven las moléculas", añade Blochowicz.
Sin embargo, los investigadores notaron algo. Dirigieron un láser a la muestra de vidrio. Las moléculas que contiene dispersan la luz. Los rayos dispersos se superponen y forman un patrón caótico de puntos claros y oscuros en el sensor de la cámara. Se pueden utilizar métodos estadísticos para calcular cómo varían las fluctuaciones a lo largo del tiempo; en otras palabras, qué tan rápido funciona el reloj interno del material. "Esto requiere mediciones extremadamente precisas, que sólo eran posibles con cámaras de vídeo de última generación", afirma Blochowicz.
Pero valió la pena. El análisis estadístico de las fluctuaciones moleculares, en el que colaboraron investigadores de la Universidad de Roskilde en Dinamarca, arrojó algunos resultados sorprendentes. En términos de tiempo material, las fluctuaciones de las moléculas son reversibles en el tiempo. Esto significa que no cambian si se permite que el tiempo material avance hacia atrás, similar al vídeo del péndulo, que se ve igual cuando se reproduce hacia adelante y hacia atrás.
"Sin embargo, esto no significa que se pueda revertir el envejecimiento de los materiales", subraya Böhmer. Más bien, el resultado confirma que el concepto de tiempo material está bien elegido porque expresa toda la parte irreversible del envejecimiento de la materia. Su tictac representa el paso del tiempo del material en cuestión.
Todo lo demás que se mueve en el material en relación con esta escala de tiempo no contribuye al envejecimiento. Del mismo modo que, metafóricamente hablando, los niños que juegan en el asiento trasero de un coche no contribuyen a su movimiento.
Los investigadores de Darmstadt creen que esto se aplica generalmente a materiales desordenados, ya que examinaron dos clases de materiales (vidrio y plástico) y llevaron a cabo una simulación por computadora de un material modelo, con los mismos resultados.
El éxito de los físicos es sólo el comienzo. "Esto nos deja con una montaña de preguntas sin respuesta", afirma Blochowicz. Por ejemplo, queda por aclarar hasta qué punto la reversibilidad observada en términos de tiempo material se debe a la reversibilidad de las leyes físicas de la naturaleza, o en qué medida el tictac del reloj interno difiere para los diferentes materiales.
Los investigadores están interesados en seguir investigando, por lo que podrían haber más descubrimientos interesantes en el futuro.
Más información: Böhmer, T. et al, Reversibilidad del tiempo durante el envejecimiento de materiales. Física de la Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02366-z
Información de la revista: Física de la Naturaleza
Proporcionado por Technische Universitat Darmstadt
