La materia a temperatura y presión extremas es simple y universal

La materia en condiciones extremas de temperatura y presión muy altas resulta ser notablemente simple y universal - PIXABAY

   MADRID, 16 Ago. (EUROPA PRESS) -

   Científicos de la Universidad Queen Mary han realizado dos descubrimientos sobre el comportamiento de la "materia supercrítica", donde las diferencias entre líquidos y gases parecen desaparecer.

   Hasta ahora se conocía bien el comportamiento de la materia a temperaturas y presiones razonablemente bajas, pero la imagen de la materia a altas temperaturas y presiones era borrosa. Por encima del punto crítico, las diferencias entre líquidos y gases parecen desaparecer, y se pensaba que la materia supercrítica se volvía caliente, densa y homogénea.

   Los investigadores creían que había una nueva física aún por descubrir sobre esta materia en estado supercrítico. Aplicando dos parámetros -la capacidad calorífica y la longitud a la que pueden propagarse las ondas en el sistema-, hicieron dos descubrimientos clave, que presentan en la revista Science Advances.

   En primer lugar, descubrieron que existe un punto de inversión fijo entre ambos en el que la materia cambia sus propiedades físicas, pasando de ser líquida a gaseosa. También descubrieron que este punto de inversión está muy cerca en todos los sistemas estudiados, lo que nos indica que la materia supercrítica es intrigantemente simple y susceptible de ser comprendida.

   Además de la comprensión fundamental de los estados de la materia y el diagrama de transición de fase, la comprensión de la materia supercrítica tiene muchas aplicaciones prácticas; el hidrógeno y el helio son supercríticos en planetas gigantes gaseosos como Júpiter y Saturno, y por tanto rigen sus propiedades físicas.

   En las aplicaciones medioambientales ecológicas, los fluidos supercríticos también han demostrado ser muy eficaces en la destrucción de residuos peligrosos, pero los ingenieros desean cada vez más que la teoría les guíe para mejorar la eficacia de los procesos supercríticos.

   Kostya Trachenko, catedrático de Física de la Universidad Queen Mary de Londres, explica que "la afirmada universalidad de la materia supercrítica abre una vía a una nueva imagen físicamente transparente de la materia en condiciones extremas. Se trata de una perspectiva apasionante desde el punto de vista de la física fundamental, así como de la comprensión y predicción de las propiedades supercríticas en aplicaciones medioambientales ecológicas, la astronomía y otros ámbitos", añade.

   El experto señala que "este camino está en marcha y es probable que se produzcan avances interesantes en el futuro, señalan los investigadores. Por ejemplo, invita a preguntarse si el punto de inversión fijo está relacionado con las transiciones de fase de orden superior convencionales. ¿Puede describirse utilizando las ideas existentes en la teoría de las transiciones de fase, o se necesita algo nuevo y bastante diferente? A medida que vayamos ampliando los límites de lo conocido, podremos identificar estas nuevas y apasionantes preguntas y empezar a buscar respuestas", asegura.

   El principal problema para entender la materia supercrítica era que las teorías de los gases, líquidos y sólidos no eran aplicables. No estaba claro qué parámetros físicos podrían revelar las propiedades más destacadas del estado supercrítico, pero gracias a los conocimientos previos sobre los líquidos a baja temperatura y presión, los investigadores utilizaron dos parámetros para describir la materia supercrítica.

   El primer parámetro es la propiedad más utilizada: se trata de la capacidad calorífica, que muestra la eficacia con la que el sistema absorbe el calor y contiene información esencial sobre los grados de libertad del sistema.

   El segundo parámetro es menos común: se trata de la longitud en la que las ondas pueden propagarse en el sistema. Esta longitud rige el espacio de fase disponible para los fonones. Cuando esta longitud alcanza su menor valor posible y se hace igual a la separación interatómica, ocurre algo realmente interesante.

   Los científicos descubrieron que, en términos de estos dos parámetros, la materia en condiciones extremas de alta presión y temperatura se vuelve notablemente universal.

   Esta universalidad tiene dos aspectos. En primer lugar, el gráfico de la capacidad calorífica frente a la longitud de propagación de la onda tiene un llamativo punto de inversión fijo que corresponde a la transición entre dos estados supercríticos físicamente diferentes: el estado de líquido y el de gas. Al cruzar este punto de inversión, la materia supercrítica cambia sus principales propiedades físicas. El punto de inversión sirve, en primer lugar, para separar de forma inequívoca los dos estados, algo que ocupa a los científicos desde hace tiempo.

   En segundo lugar, la ubicación de este punto de inversión es notablemente cercana en todos los tipos de sistemas estudiados. Esta segunda universalidad es notablemente diferente de todos los demás puntos de transición conocidos.

   Por ejemplo, dos de estos puntos de transición -el punto triple en el que coexisten los tres estados de la materia (líquido, gas y sólido) y el punto crítico en el que termina la línea de ebullición gas-líquido- son diferentes en los distintos sistemas. Por otro lado, el mismo punto de inversión en todos los sistemas en condiciones supercríticas extremas nos indica que la materia supercrítica es intrigantemente sencilla y susceptible de ser comprendida de nuevo.