El vidrio es un material todavía misterioso y la investigación científica sobre sus propiedades químicas y físicas tiene mucho por delante, pues en química y física, el término vidrio es un concepto cambiante: abarca la sustancia que conocemos como vidrio de ventana, pero también puede referirse a una serie de otros materiales con propiedades que se comportan de manera similar al vidrio, incluidos metales, plásticos, proteínas e incluso células biológicas.
Universität Göttingen
Cuando un material cambia de un líquido a un sólido, las moléculas generalmente se alinean y forman una red cristalina. Es diferente con el vidrio, pues las moléculas se congelan literalmente en su lugar antes de que tenga lugar la cristalización. Este estado extraño y desordenado es característico de las gafas en diferentes sistemas y la ciencia todavía está tratando de comprender cómo surge exactamente este estado metaestable.
Nuevo estado físico: vidrio líquido
El doctor Andreas Zumbusch (Departamento de Química) y el doctor Matthias Fuchs (Departamento de Física), de la Universidad de Konstanz, ahora ha agregado otro nivel de complejidad al rompecabezas de vidrio. Usando un sistema modelo con suspensiones de coloides elipsoidales hechos a medida, descubrieron un nuevo estado de la materia, el vidrio líquido, en el que las partículas individuales pueden moverse pero no pueden rotar, un comportamiento complejo que no se había observado previamente en vidrios.
Los resultados de la investigación se publicarán en la edición actual de la revista Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS).
Las suspensiones coloidales son mezclas o líquidos que contienen partículas sólidas que son un micrómetro (una millonésima parte de un metro) o más grandes que los átomos o moléculas y, por lo tanto, son muy adecuadas para examinarlas con un microscopio óptico. Son populares entre los investigadores que estudian las transiciones de vidrio porque exhiben muchos de los mismos fenómenos que ocurren en otros materiales formadores de vidrio.
Coloides elipsoidales hechos a medida
Hasta ahora, la mayoría de los experimentos con suspensiones coloidales se han basado en coloides esféricos. Sin embargo, la mayoría de los sistemas naturales y técnicos constan de partículas no esféricas. Con la ayuda de la química de polímeros, el equipo de Andreas Zumbusch produjo pequeñas partículas de plástico, las estiró y enfrió hasta que alcanzaron su forma elipsoidal y luego las colocó en un solvente adecuado.
“Debido a su forma especial, nuestras partículas, a diferencia de las partículas esféricas, tienen una orientación. Esto conduce a tipos de comportamiento complejo completamente nuevos y previamente inexplorados ”, explica Zumbusch, profesor de química física y autor principal del estudio, citado por la revista austriaca Chemie.
Luego, los investigadores cambiaron la concentración de partículas en las suspensiones y rastrearon el movimiento de traslación y rotación de las partículas con la ayuda de microscopía confocal.
En ciertas densidades de partículas, la orientación se congela mientras persiste el movimiento de traslación, lo que conduce a estados similares al vidrio en los que las partículas se agrupan y forman estructuras locales con una orientación similar.
Lo que los investigadores llaman vidrio líquido surge del hecho de que estos grupos interfieren entre sí y forman correlaciones espaciales características con un rango largo. Éstos previenen la formación de cristales líquidos, que sería el estado de agregación generalmente ordenado que cabría esperar en el contexto de la termodinámica.
Representación de la posición y orientación de partículas en racimos de un vaso líquido. AG Zumbusch y AG Fuchs
Dos transiciones de vidrio en competencia
Los investigadores observaron en realidad dos transiciones vítreas en competencia, una transición de fase regular y una transición de fase de no equilibrio, que interactuaban entre sí. “Desde un punto de vista teórico, esto es increíblemente interesante”, comenta Matthias Fuchs, profesor de teoría de la materia blanda en la Universidad de Konstanz y segundo autor principal del trabajo.
Los estudiosos indican que sus experimentos proporcionan el tipo de evidencia de la interacción entre las fluctuaciones críticas y la solidificación del vítreo que la comunidad científica ha estado buscando durante bastante tiempo.
Los resultados también sugieren que podría haber una dinámica similar en otros sistemas de formación de vidrio y, por lo tanto, podría ayudar a comprender el comportamiento de sistemas y moléculas complejos, desde los muy pequeños (biológicos) hasta los muy grandes (cosmológicos). También pueden tener un impacto en el desarrollo de elementos cristalinos líquidos.
