Los físicos están más cerca de comprender por qué materiales, como el hielo y el metal, se derriten cuando se calientan, gracias a una nueva teoría desarrollada por investigadores de la Universidad de Pensilvania.

Este innovador trabajo, publicado en la prestigiosa revista Science, arroja luz sobre un misterio fundamental que ha desconcertado a los científicos durante siglos.

Comprender el derretimiento a escala atómica es vital, ya que sustenta una variedad de fenómenos, desde el cambio climático hasta la funcionalidad de dispositivos electrónicos como los teléfonos inteligentes.

EL ENIGMA DEL DERRETIMIENTO

Imagínese colocar hielo en una habitación cálida y observar cómo se transforma lentamente en agua líquida, un fenómeno que damos por sentado en la vida cotidiana.

A nivel atómico, este proceso implica la reorganización de la ordenada estructura cristalina del hielo en un estado líquido más desordenado. La energía térmica, suministrada por la habitación cálida, proporciona el empujón necesario para superar las fuerzas que mantienen los átomos o moléculas fijos en sus posiciones cristalinas, permitiéndoles fluir libremente unos sobre otros.

Los científicos han buscado durante mucho tiempo una comprensión detallada de este proceso, una descripción que tenga en cuenta las condiciones específicas necesarias para provocar el derretimiento. ¿Por qué, por ejemplo, el hielo se derrite a una temperatura específica, mientras que los metales como el cobre se derriten a temperaturas mucho más altas?

La respuesta está en la fuerza de los enlaces interatómicos:las fuerzas que mantienen unidos a los átomos o moléculas en un sólido.

En los sólidos, estas fuerzas son lo suficientemente fuertes como para mantener a los átomos bloqueados en su lugar, formando estructuras cristalinas regulares. A medida que aumenta la temperatura, la energía añadida hace que los átomos vibren más vigorosamente, debilitando gradualmente estos enlaces.

Una vez que la energía vibratoria excede la fuerza de los enlaces, la estructura cristalina colapsa y el material se funde, pasando de un estado sólido a uno líquido.

UNA NUEVA TEORÍA Y ÁTOMOS EXTRAGRANDES

Si bien esta comprensión general de la fusión existe desde hace algún tiempo, los científicos han luchado por desarrollar una teoría precisa que pueda predecir con precisión la temperatura de fusión de diferentes materiales.

El problema surge porque la fuerza de los enlaces interatómicos depende no sólo del material en sí sino también de los intrincados detalles de cómo están dispuestos los átomos en la red cristalina, un problema complejo de abordar teóricamente.

La nueva teoría, formulada por un equipo dirigido por Gregory G. Barba, Ph.D., profesor asistente en el Departamento de Física y Astronomía de Penn, evita esta complejidad al introducir un enfoque novedoso.

"Nuestra teoría está inspirada en una clase inusual de materiales llamados coloides blandos", dice Barba. "Son como átomos de gran tamaño con diámetros cientos de veces mayores que los átomos ordinarios".

En estos coloides blandos, las fuerzas que actúan entre las partículas se comportan de una manera más sencilla que en los materiales convencionales, lo que facilita su estudio y comprensión.

Al analizar cómo interactúan y se derriten estas partículas gigantes, los investigadores obtuvieron conocimientos clave que luego aplicaron para desarrollar una teoría general del derretimiento.

Su teoría se basa en el concepto de "temperatura efectiva", una medida de la fuerza con la que vibran los átomos dentro de la red cristalina.

Cuando la temperatura efectiva de un material excede un valor crítico, los enlaces interatómicos ya no pueden mantener unida la estructura cristalina, lo que lleva a la fusión.

"Nuestra teoría proporciona una descripción matemática precisa del proceso de fusión", afirma Barba.

"Nos permite predecir la temperatura de fusión de diferentes materiales considerando sólo algunas características clave de sus interacciones atómicas, como la fuerza y ​​el rango de las fuerzas entre ellos".

FUSIÓN DE METALES

Los investigadores probaron su teoría analizando el comportamiento de fusión de una variedad de materiales, desde cristales simples hasta metales complejos. Encontraron una excelente concordancia entre sus predicciones teóricas y las mediciones experimentales.

"Nuestro trabajo revela que el comportamiento de fusión de diversos materiales puede entenderse a través de un principio subyacente común", dice Barba.

"Al desbloquear este principio, obtenemos una comprensión más fundamental de por qué los materiales se funden y, potencialmente, cómo manipular sus propiedades".

IMPLICACIONES Y DIRECCIONES FUTURAS

Los investigadores creen que su trabajo puede allanar el camino para numerosas aplicaciones, incluido el diseño de nuevos materiales con propiedades de fusión adaptadas a necesidades tecnológicas específicas.

Por ejemplo, sus hallazgos podrían ayudar en el desarrollo de materiales con puntos de fusión más altos para su uso en entornos extremos, como componentes aeroespaciales o reactores nucleares.

Barba y sus colegas planean perfeccionar aún más su teoría y ampliarla para estudiar fenómenos de fusión más complejos, incluido el comportamiento de las mezclas y los efectos de la presión sobre la fusión.

"Nuestro trabajo abre nuevas vías de exploración en el campo de la ciencia de los materiales", afirma Barba.

"Al desentrañar los mecanismos fundamentales detrás de la fusión, estamos preparados para lograr avances significativos en el diseño y la ingeniería de materiales".