Cambiar entre líquido, sólido y gas es más complicado de lo pensado

MADRID, 7 Nov. (@CIENCIAPLUS) -

   Las transiciones entre estados de la materia son más complejas de lo que se pensaba previamente, según concluye una investigación de científicos de la Universidad de Princeton y la Universidad de Pekín.

   Su estudio, publicado en 'Science', revela la necesidad de replantear uno de los pilares fundamentales de la ciencia y cómo se enseñan en las aulas algunos de los principios básicos que subyacen en el comportamiento de la materia.

   Los investigadores examinaron la manera en que un cambio de fase, concretamente la fusión de un sólido, se produce a nivel microscópico y descubrieron que la transición es mucho más complicada que lo que habían representado los modelos anteriores.

   "Esta investigación muestra que los cambios de fase pueden seguir múltiples vías, lo cual es contrario a lo que hemos conocido anteriormente", afirma Mark Tuckerman, profesor de Química y Matemáticas aplicadas en la Universidad de Nueva York y uno de los coautores del estudio. "Esto significa que las simples teorías acerca de las transiciones de fase que enseñamos en las aulas no están en lo cierto", añade.

   El trabajo es el fruto de un proyecto de diez años realizado en Princeton para desarrollar una infraestructura matemática y algoritmos informáticos con el fin de estudiar el comportamiento complejo de los sistemas, explica el autor Weinan E., profesor del Departamento de Matemáticas y el Programa de Matemáticas Aplicadas y Computacionales en Princeton.

   Los cambios de fase resultaron ser un caso de prueba crucial para su algoritmo, apunta E, que trabajó con Tuckerman, Amit Samanta, investigador postdoctoral en Princeton y ahora en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, y Tang-Qing Yu, investigador postdoctoral en el Instituto Courant de Ciencias Matemáticas de la Universidad de Nueva York.

   "Fue un caso de prueba para el más potente conjunto de herramientas que hemos desarrollado para estudiar preguntas difíciles acerca de fenómenos complejos, como las transiciones de fase --destaca E--. La fusión de un sólido atómico relativamente simple, como un metal, demostró ser enormemente rica. Con el conocimiento que hemos adquirido a partir de este caso, el próximo objetivo es analizar sólidos moleculares más complejos, como el hielo".

   Los resultados revelan que la transición de fase puede ocurrir a través de vías múltiples y competidoras y que las transiciones implican al menos dos pasos. El estudio muestra que, a lo largo de una de estas vías, el primer paso en el proceso de transición es la formación de puntos de defectos --defectos locales que se producen en o alrededor de un único sitio de la red en un sólido cristalino. Estos defectos resultan ser altamente móviles y, en un segundo paso, los defectos puntuales migran al azar y, ocasionalmente, se reúnen para formar grupos de defectos grandes, desordenados.

   Este mecanismo predice que "el grupo desordenado crece desde el exterior en lugar de hacerlo desde dentro hacia afuera, como sugieren las explicaciones actuales", expone Tuckerman. "Con el tiempo, estos grupos crecen y eventualmente se vuelven lo suficientemente grandes como para causar la transición de sólido a líquido".

   En una vía alternativa, los defectos se convierten en líneas delgadas de trastornos (llamados "dislocaciones") que llegan a todo el sistema. Pequeñas regiones de líquidos se agrupan a lo largo de estas dislocaciones, estas regiones se expanden desde la región de dislocación, que envuelve más y más el sólido, hasta que todo el sistema se convierte en líquido.

   Este estudio modela este proceso mediante el trazado de los metales de cobre y aluminio a partir de un estado sólido atómico a uno líquido atómico y los investigadores utilizaron modelos y algoritmos avanzados de informática para reexaminar el proceso de cambios de fase a nivel microscópico.

   "Las transiciones de fase siempre han sido algo así como un misterio porque representan un cambio muy dramático en el estado de la materia --observa Tuckerman--. Cuando un sistema cambia de sólido a líquido, las propiedades cambian sustancialmente". A su juicio, esta investigación demuestra el sorprendente carácter incompleto de los modelos anteriores de nucleación y cambios de fase y ayuda a llenar los vacíos existentes en el conocimiento científico básico.