En 2008, Miguel Ramos leyó en el periódico que un trozo de ámbar de 65.438 años de antigüedad había sido encontrado a pocas horas en coche de Madrid, donde vivían los insectos del Mesozoico Primitivo. Ramos, físico especializado en vidrio, llevaba años deseando ámbar antiguo. Se puso en contacto con los paleontólogos que trabajaban en el sitio y lo invitaron a visitarlo.
"Me dieron muestras claras que no necesitaban", afirmó. No hay insectos ni cosas interesantes en el ámbar. Sin embargo, son perfectos para mí. " .
Durante los siguientes años, Ramos trabajó dentro y fuera midiendo vidrio antiguo. Esperaba que después de envejecer durante tanto tiempo, la goma fosilizada se acercara a algo llamado vidrio ideal. Formas imaginarias de materia.
Los físicos han soñado durante mucho tiempo con este sólido amorfo perfecto, no por él (aunque tiene propiedades únicas y muy útiles), sino porque su existencia desvelaría un profundo misterio. cada trozo de plástico, cada trozo de caramelo duro e incluso el citoplasma de cada célula constituye técnicamente un misterio. Todo es vidrio, porque el vidrio es un sólido, es rígido, pero está hecho de moléculas desordenadas, como las moléculas de un líquido. El vidrio es un líquido suspendido, un líquido cuyas moléculas son increíblemente estables. El vidrio ideal, si existiera, nos diría por qué.
Inconvenientemente, el vidrio ideal habría tardado mucho en formarse, y probablemente no lo haya hecho. No se ha formado en toda la historia del universo. Buscando evidencia indirecta de que esto sería así en un tiempo infinito, Ramos, físico experimental de la Universidad Autónoma de Madrid, espera que después de 110 millones de años de envejecimiento, el ámbar español pueda. han comenzado a adquirir un brillo perfecto. Si es así, podría saber qué están haciendo las moléculas en el vidrio ordinario cuando parecen no hacer nada.
Las mediciones del ámbar de Ramos fueron el catalizador de un aumento. interés en el vidrio ideal. En los últimos años, nuevos métodos para fabricar vidrio y simularlo en computadoras han dado lugar a avances inesperados. Estos estudios ofrecen algunas pistas importantes sobre las propiedades del vidrio ideal. Proporcionan un nuevo apoyo a la hipótesis de que existe el estado vítreo ideal.
Cuando se enfría un líquido, se cristaliza o se endurece hasta convertirse en vidrio. Cuál de los dos depende de la naturaleza y la sutileza del arte. Los sopladores de vidrio han aprendido a través de miles de años de prueba y error. Para ellos, evitar la cristalización es un oscuro secreto.
Las dos situaciones son muy diferentes.
La cristalización es un. transición dramática de una fase líquida con moléculas desordenadas y que fluyen libremente a moléculas que son regulares y repetitivas. Por ejemplo, el agua se congela a 0 grados Celsius porque a esta temperatura, las moléculas de agua dejan de temblar y simplemente sienten el movimiento. fuerza entre sí y quedan encerrados.
Después de que los otros líquidos se enfrían, es más fácil de convertir en vidrio. Por ejemplo, la sílice (vidrio de ventana) es un líquido fundido a una temperatura muy superior a los 1000 grados. Celsius comienza; a medida que se enfría, sus moléculas desordenadas se encogen ligeramente y se aprietan más, esto hace que el líquido sea cada vez más viscoso. Con el tiempo, las moléculas no se recombinan durante esta transición vítrea gradual. El líquido se detiene. Aún no se conoce la razón exacta de la rigidez. Si las moléculas en el vidrio están demasiado frías para fluir, aún debería ser posible comprimirlas en nuevas disposiciones. Sin embargo, el vidrio no se aplastará. Aunque parecen moléculas en un líquido, sus moléculas mezcladas son en realidad rígidas.
Camille Scalliet, teórica del vidrio de la Universidad de Cambridge, explica: "Los líquidos y los vasos tienen la misma estructura, pero se comportan de manera diferente. La clave es entenderlo".
En 1948, un joven químico llamado Walter Kautzmann descubrió la llamada crisis de entropía, una paradoja vítrea. Más tarde, los investigadores se dieron cuenta de que el vidrio ideal parecía resolver este engañoso problema.
Kautzmann sabía que cuanto más lento se movía el refrigerante, más podía enfriarse antes de convertirse en vidrio. Un vidrio que se forma lentamente tendrá una densidad final mayor y más estable. Porque sus moléculas tardan más en moverse (cuando el líquido aún es viscoso) y encuentran una disposición más estrecha y de menor energía. Las mediciones mostraron que el vidrio tenía una disminución correspondiente en entropía o desorden, en comparación con un vidrio que se formaba lentamente: menos moléculas en la misma disposición de baja energía.
Siguiendo esta tendencia, Kautzmann se dio cuenta de que si el refrigerante se movía lo suficientemente lento, podría enfriarse a una temperatura ahora conocida como "temperatura de Kautzmann" antes de endurecerse por completo. A esta temperatura, la entropía del vidrio resultante será tan baja como la del cristal. Pero un cristal es una estructura limpia y ordenada. Por definición, el vidrio está desordenado. ¿Cómo es que existe el mismo orden?
El vidrio normal no puede hacer esto, por lo que a la temperatura de Kautzmann sucede algo especial. Si un líquido alcanza esa temperatura y alcanza el estado vítreo ideal, un estado de empaquetamiento aleatorio de las moléculas más densas, entonces se puede evitar la crisis. Este estado exhibiría un "orden amorfo de largo alcance", lo que significa que cada molécula detecta y afecta la posición de otras moléculas, por lo que para moverse, deben moverse como un todo. El orden de largo alcance subyacente a este estado hipotético es comparable al orden más obvio de los cristales. "Este descubrimiento fue la razón fundamental por la que la gente pensaba que debería existir un vidrio ideal", dice el físico químico Mark Ediger de la Universidad de Wisconsin-Madison.
Según Julian Gibb Propuesto por primera vez por Julian Gibbs y Edmund DiMarzio en 1958, el vidrio ideal es una fase real de la materia, similar a las fases líquida y cristalina. La transición a esta etapa lleva demasiado tiempo y requiere un proceso de enfriamiento demasiado lento, por lo que los científicos nunca lo han visto. Daniel Stan, físico de materia condensada de la Universidad de Nueva York, dijo que la transición vítrea ideal estaba "enmascarada" porque el líquido se volvió "tan viscoso que todo quedó bloqueado".
Stein dijo: "Es un poco como mirar a través de un cristal en la oscuridad. No podemos encontrar (el cristal ideal) ni verlo. Pero, en teoría, podemos intentar construir un modelo de lo que es sucediendo allí. Un modelo preciso."
Este experimento trajo una ayuda inesperada. Los seres humanos han utilizado refrigerantes durante miles de años y nunca pudieron esperar formar el vidrio ideal. Para evitar que el líquido se endurezca antes de alcanzar la temperatura de Kautzmann, hay que enfriar el líquido muy lentamente, incluso infinitamente lentamente. Pero en 2007, el físico Ediger de Wisconsin desarrolló un nuevo método para fabricar vidrio. "Descubrimos otra forma de fabricar vidrio casi ideal de alta densidad", dijo. "Es una ruta completamente diferente".
Ediger y su equipo descubrieron que podían crear un vidrio "ultraestable". "vidrio" que está entre lo ordinario y lo ideal. Utilizaron un método llamado deposición de vapor para dejar caer moléculas sobre una superficie una por una, como jugar al Tetris, de modo que cada molécula pudiera adherirse firmemente al vidrio moldeado antes de que cayera la siguiente. El vidrio resultante es más denso, más estable y tiene menor entropía que cualquier vidrio en la historia de la humanidad. "Si se toma un líquido y se lo enfría durante un millón de años, estos materiales tendrán las propiedades que cabría esperar", afirmó Ediger.
Otra propiedad del vidrio ultraestable revelará en última instancia las propiedades más prometedoras Hoja de ruta para el vidrio ideal.
Esta característica fue descubierta en 2014 por dos grupos liderados por Miguel Ramos en Madrid. En aquel momento descubrieron que el vidrio ultraestable se diferenciaba de las características generales de todos los vidrios comunes.
Los físicos saben desde hace décadas que el vidrio ultrafrío tiene una alta capacidad térmica, la cantidad de calor necesaria para elevar su temperatura. El vidrio puede absorber más calor que los cristales cercanos al cero absoluto y la capacidad calorífica es directamente proporcional a la temperatura.
Los teóricos, incluido el respetado ganador del Premio Nobel y físico de la materia condensada Phil Anderson, propusieron una explicación a principios de los años 1970. Creen que el vidrio contiene muchos "sistemas de dos niveles", pequeños grupos de átomos o moléculas que pueden deslizarse hacia adelante y hacia atrás entre dos configuraciones alternativas e igualmente estables. "Se puede imaginar toda una cadena de átomos cambiando de una configuración a otra muy diferente, y eso no sucede en los materiales cristalinos", dijo Frances Hellman de la Universidad de California, Berkeley. o las moléculas están demasiado unidas por sus vecinas para sufrir mucha transformación por sí solas, a temperatura ambiente el calor activa el sistema de dos niveles y proporciona a los átomos la energía que necesitan para moverse. Esta actividad se debilita gradualmente a medida que disminuye la temperatura de transición vítrea. Sin embargo, cerca del cero absoluto, los efectos cuánticos se vuelven muy importantes: los grupos de átomos en el vidrio pueden "hacer un túnel" entre dos configuraciones diferentes a través de la mecánica cuántica, atravesar directamente cualquier obstáculo e incluso ocupar dos niveles de energía simultáneamente. El túnel absorbe una gran cantidad de calor, produciendo la alta capacidad calorífica exclusiva del vidrio.
Unos años después de que Ediger encontrara una manera de fabricar vidrio ultraestable, el grupo de Hailmann en Berkeley y el grupo de Ramos en Madrid se propusieron estudiar si el vidrio se desviaría de su capacidad calorífica universal cercana al cero absoluto. En sus respectivos experimentos, estudiaron las propiedades a baja temperatura del silicio ultraestable y de la indometacina ultraestable, una sustancia química que también se utiliza como fármaco antiinflamatorio. Efectivamente, descubrieron que ambos vidrios tenían capacidades caloríficas mucho más bajas que el cero absoluto normal, comparables a las de los cristales. Esto indica que el vidrio ultraestable tiene menos túneles entre los dos sistemas de niveles de energía. Estas moléculas son compactas y tienen pocos competidores.
Si la capacidad calorífica anormalmente baja del vidrio ultraestable realmente proviene de menos sistemas de dos niveles, entonces el vidrio ideal corresponde naturalmente a un estado sin ningún sistema de dos niveles. "De alguna manera está ahí donde todos los átomos están desordenados", dijo David Reichman, teórico de la Universidad de Columbia. "No tiene estructura cristalina, pero nada se mueve".
Además, lo que impulsa este ideal durante mucho tiempo. -El estado de orden amorfo de rango es que cada molécula afecta la posición de todas las demás moléculas, lo que puede ser la razón por la que los líquidos se endurecen en el vidrio que vemos a nuestro alrededor.
Cuando un líquido se convierte en vidrio, en realidad está tratando de convertirse en una fase de vidrio ideal y es atraído por la fuerza de tracción básica ordenada y de largo alcance. El vidrio ideal es el punto final, pero cuando las moléculas intentan unirse, se pegan; el aumento de la viscosidad impide que el sistema alcance su estado ideal.
Recientemente, se han utilizado innovadoras simulaciones por computadora para probar estas ideas. Simular gafas ultraestables en una computadora no ha sido factible en el pasado porque simular la unión de las moléculas requeriría mucho tiempo de computación. Sin embargo, una habilidad desarrollada hace dos años aceleró el proceso de cálculo un billón de veces. El algoritmo selecciona aleatoriamente dos partículas e intercambia sus posiciones. Estos batidos ayudan a que el líquido simulado se mantenga suelto para que las moléculas puedan estabilizarse y adoptar una forma más adecuada.
En un artículo publicado en Physical Review Letters, los coautores informan que cuanto más estable es el vidrio simulado, menos sistemas de dos niveles tiene. Al igual que las mediciones de la capacidad calorífica de Herman y Ramos, las simulaciones por computadora sugieren que las configuraciones de grupos moleculares en competencia del sistema de dos niveles de energía son la fuente de la entropía del vidrio. Cuantos menos estados de sustitución, más fuerte será la estabilidad y el orden de largo plazo del estado amorfo, y más cerca estará del estado ideal.
En 2014, Ramos y sus colaboradores publicaron su comparación de muestras antiguas y "recicladas" de vidrio amarillo en Physical Review Letters. Descubrieron que el ámbar de 110 millones de años tenía un aumento de densidad de aproximadamente 2, lo que corresponde al vidrio ultraestable. Esto debería indicar que el ámbar efectivamente se ha estabilizado con el tiempo, a medida que pequeños grupos de moléculas se deslizaron hacia disposiciones de menor energía, una tras otra.
Sin embargo, cuando el equipo de Madrid enfrió el antiguo vidrio hasta casi el cero absoluto y midió su capacidad calorífica, los resultados contaron una historia diferente. La capacidad calorífica del ámbar viejo, del ámbar nuevo y de todos los demás vidrios comunes es muy alta. Sus moléculas parecen viajar entre muchos sistemas de dos niveles, como de costumbre.
¿Por qué el número de sistemas secundarios no disminuye con la estabilidad y densidad del ámbar? Los hallazgos son inconsistentes con esto.
“Realmente disfruté experimentando con el ámbar, pero el proceso de hacer vidrio de color ámbar era un poco confuso”, dijo Eddie, el inventor de la deposición de vapor. "Es básicamente un chicle. Cambia químicamente con el tiempo y se solidifica con el tiempo". Él cree que las impurezas del ámbar español pueden haber contaminado las mediciones de la capacidad calorífica.
Los investigadores planean realizar más experimentos con ámbar y vidrio fabricados y simulados en el laboratorio, con la esperanza de encontrar más detalles del sistema de dos niveles y acercarse al estado ideal hipotético. Lakeman señaló que es posible que su existencia nunca se demuestre con total certeza. Quizás algún día sepamos, al menos en una computadora, cómo empaquetar partículas con precisión en el vidrio ideal que estamos buscando. Pero habrá que esperar mucho tiempo para ver si se mantiene estable.