El vidrio líquido, nuevo estado de la materia

Investigadores de la Universidad de Constanza han descubierto un nuevo estado de la materia, el vidrio líquido, con nuevos conocimientos sobre la naturaleza del vidrio y sus transiciones.

Si bien el vidrio es un material verdaderamente omnipresente que utilizamos a diario, también representa un enigma científico importante. Contrariamente a lo que cabría esperar, la verdadera naturaleza del vidrio sigue siendo un misterio, y la investigación científica sobre sus propiedades químicas y físicas aún está en curso. En química y física, el término vidrio en sí mismo es un concepto mutable: incluye la sustancia que conocemos como vidrio de ventana, pero también puede referirse a una variedad de otros materiales con propiedades que se pueden explicar por referencia al comportamiento similar al vidrio, incluyendo , por ejemplo, metales, plásticos, proteínas e incluso células biológicas.

Si bien puede dar la impresión, el vidrio es cualquier cosa menos convencionalmente sólido. Normalmente, cuando un material pasa de un estado líquido a un estado sólido, las moléculas se alinean para formar un patrón de cristal. En el vidrio, esto no sucede. En cambio, las moléculas se congelan efectivamente en su lugar antes de que ocurra la cristalización. Este estado extraño y desordenado es característico del vidrio en diferentes sistemas y los científicos todavía están tratando de comprender cómo se forma exactamente este estado metaestable.

La investigación dirigida por los profesores Andreas Zumbusch (Departamento de Química) y Matthias Fuchs (Departamento de Física), ambos con sede en la Universidad de Konstanza, acaba de agregar otra capa de complejidad al enigma del vidrio. Usando un sistema modelo que involucra suspensiones de coloides elipsoidales hechos a medida, los investigadores descubrieron un nuevo estado de la materia, el vidrio líquido, donde las partículas individuales pueden moverse pero no pueden rotar, un comportamiento complejo que no se había observado previamente en vidrio a granel. Los resultados se publican en PNAS.

Las suspensiones coloidales son mezclas o fluidos que contienen partículas sólidas que, en tamaños de un micrómetro (una millonésima de metro) o más, son más grandes que los átomos o moléculas y, por lo tanto, son adecuadas para la investigación con microscopía óptica. Son populares entre los científicos que estudian las transiciones de vidrio porque presentan muchos de los fenómenos que también ocurren en otros materiales formadores de vidrio.

Hasta la fecha, la mayoría de los experimentos que involucran suspensiones coloidales se han basado en coloides esféricos. Sin embargo, la mayoría de los sistemas naturales y técnicos están compuestos por partículas no esféricas. Usando química de polímeros, el equipo dirigido por Andreas Zumbusch fabricó pequeñas partículas de plástico, estirándolas y enfriándolas hasta que lograron sus formas elipsoides y luego las colocó en un solvente adecuado. "Debido a sus distintas formas, nuestras partículas tienen orientación, a diferencia de las partículas esféricas, lo que da lugar a tipos de comportamientos complejos completamente nuevos y no estudiados anteriormente", explica en un comunicado Zumbusch, profesor de química física y autor principal del estudio.

Luego, los investigadores cambiaron las concentraciones de partículas en las suspensiones y rastrearon el movimiento de traslación y rotación de las partículas utilizando microscopía confocal. Zumbusch dice: "En ciertas densidades de partículas, el movimiento de orientación se congeló mientras que el movimiento de traslación persistió, lo que resultó en estados vidriosos donde las partículas se agruparon para formar estructuras locales con orientación similar".

Lo que los investigadores han denominado vidrio líquido es el resultado de que estos grupos se obstruyen mutuamente y median correlaciones espaciales características de largo alcance. Éstos previenen la formación de un cristal líquido que sería el estado de materia ordenado globalmente que se espera de la termodinámica.

Lo que los investigadores observaron fueron, de hecho, dos transiciones vítreas en competencia, una transformación de fase regular y una transformación de fase de no equilibrio, interactuando entre sí. "Esto es increíblemente interesante desde un punto de vista teórico", dice Matthias Fuchs, profesor de teoría de la materia suave condensada en la Universidad de Konstanz y el otro autor principal del artículo. "Nuestros experimentos proporcionan el tipo de evidencia de la interacción entre las fluctuaciones críticas y la detención cristalina que la comunidad científica ha estado buscando durante bastante tiempo". Una predicción del vidrio líquido había sido una conjetura teórica durante veinte años.

Los resultados sugieren además que una dinámica similar puede estar funcionando en otros sistemas de formación de vidrio y, por lo tanto, puede ayudar a arrojar luz sobre el comportamiento de sistemas y moléculas complejos que van desde lo muy pequeño (biológico) hasta lo muy grande (cosmológico). También tiene un impacto potencial en el desarrollo de dispositivos de vidrio líquido.