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El agua es líquida, el aire es gaseoso, pero ¿el vidrio? Durante años, el vidrio ha dejado perplejos a los estudiosos que intentan fijarlo bajo un estado de la materia. Ni líquido ni sólido, explicar el vidrio es mucho más difícil de lo que algunos podrían pensar. Investigadores de la Universidad de Duke han contribuido a resolver el rompecabezas después de realizar soluciones numéricas y descubrir que los paisajes energéticos de los vidrios son mucho más ásperos de lo que se creía anteriormente, ya que sus moléculas constituyentes se atascan para formar pozos.

Vidrio: siempre en el medio

A la izquierda, cuarzo, un sólido que muestra una disposición ordenada y periódica de sus moléculas. A la derecha, vidrio con moléculas alineadas desordenadamente. Foto: cmog.org

En el vidrio, las moléculas siguen fluyendo, pero su velocidad de flujo es tan baja que apenas se percibe. Por tanto, no es suficiente clasificar los vasos como líquidos, pero tampoco como sólidos. Los químicos parecen estar de acuerdo en llamarlos sólidos amorfos, un estado en algún lugar entre esos dos estados de la materia.

Los sólidos son estructuras altamente organizadas. Incluyen cristales, como el azúcar y la sal, con sus millones de átomos alineados en fila, explica Mark Ediger, profesor de química de la Universidad de Wisconsin, Madison. Líquidos y vasos no tienen ese orden, señala. Los vasos, aunque más organizados que los líquidos, no alcanzan el orden rígido de los cristales. Amorfo significa que no tiene ese orden de largo alcance, dice Ediger. Con un sólido, si lo agarras, mantiene su forma, agrega.

Anteriormente, los investigadores utilizaron modelos matemáticos para describir cómo se ven los paisajes energéticos de las gafas. Como se dijo anteriormente, los vidrios se distinguen de otras materias debido a la falta de orden de sus moléculas constituyentes. Estas moléculas se enfrían de manera constante y lenta hasta que las moléculas quedan atrapadas por sus vecinas, pero de una manera impredecible. Por eso, cuanto más viejo es el vidrio, más se parece a un sólido. Una forma en que los investigadores pueden visualizar esto es con un paisaje energético, un mapa de todas las configuraciones posibles de las moléculas en un sistema.

Ha habido hermosos modelos matemáticos, pero a veces con una conexión tenue con vidrios estructurales reales. Ahora tenemos un modelo mucho más cercano a las gafas reales, dijo Patrick Charbonneau, uno de los coautores y profesor asistente de química y física en la Universidad de Duke.

Los pozos de vidrio

Los vidrios se forman cuando sus moléculas se atascan en pozos fractales, como se muestra a la derecha, en lugar de pozos lisos o ligeramente rugosos (izquierda). Crédito de la foto: Patrick Charbonneau:

Charbonneau y sus colegas realizaron simulaciones numéricas, combinadas con lo que saben de la teoría de los vidrios, para generar paisajes energéticos. Su análisis sugiere que las moléculas en los materiales vítreos se asientan en una jerarquía fractal de estados, que puede imaginarse como una serie de estanques o pozos.

Cuando el agua está alta (la temperatura es más cálida), las partículas del interior flotan a su antojo, cruzando de estanque en estanque sin problema. Pero a medida que comienza a bajar el nivel del agua (bajando la temperatura o aumentando la densidad), las partículas quedan atrapadas en uno de los pequeños estanques. Eventualmente, a medida que el estanque se vacía, las moléculas se atascan en configuraciones desordenadas y rígidas.

El atasco es lo que sucede cuando tomas arena y la aprietas, dijo Charbonneau. Primero es fácil de apretar, luego, después de un tiempo, se vuelve muy duro y finalmente se vuelve imposible.

En el fondo de estos lagos o pozos, lo que se encuentra es una variación en la que las partículas tienen una fuerza de contacto o enlace, dijo Charbonneau. Entonces, aunque comience con una sola configuración, a medida que avanza hacia el fondo o las comprime, obtiene diferentes realizaciones de qué pares de partículas están realmente en contacto.

Estos hallazgos dan sentido a las observaciones empíricas, que eran difíciles de explicar previamente, como la propiedad conocida como avalancha, que describe una reorganización aleatoria de moléculas que conduce a la cristalización.

Hay muchas propiedades de los vidrios que no se comprenden, y este hallazgo tiene el potencial de reunir una amplia gama de esos problemas en una imagen coherente, dijo Charbonneau.

Los hallazgos se informaron en la revista Nature Communications .

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