¿Por qué te puedes situar encima de un glaciar, pero no sobre el océano?
La respuesta parece bastante simple: el flujo de líquidos, no de los sólidos. Los átomos en los líquidos pueden chapotear alrededor. En los sólidos, están atrapados en el entramado cristalino. La continua repetición del patrón del cristal es tan estable que conlleva una considerable dosis de energía poder romper ese ordenamiento atómico. Al menos eso es lo que dicen los libros de texto de física.
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| Las paredes de cristal y el suelo de la Skydeck Willis Tower en Chicago comportarse como un sólido, pero se parecen más a un líquido a nivel atómico. Foto: Olga Bandelowa |
Pero esta explicación ampliamente aceptada de la rigidez de los sólidos no tiene en cuenta los cuasicristales (unos extraños sólidos descubiertos por primera vez en laboratorio en 1982, y encontrados más tarde en la naturaleza, en 2009). Los átomos de los cuasicristales están dispuestos en patrones que nunca se repiten, sin embargo, el material se mantiene rígido. Así es el cristal, una masa amorfa de átomos estacionarios que se comportan como un sólido, pero bajo un examen más cercano, se ve más como un líquido congelado en el tiempo.
“Los cristales han existido desde hace miles de años”, señala Daniel Stein, profesor de física y matemáticas en la Universidad de Nueva York. “Los químicos los entienden. Los ingenieros los entienden. Pero desde el punto de vista de la física, no se entienden. ¿Por qué son rígidos?”
Incluso los sólidos cristalinos como los glaciares resisten la categorización, cómo pueden fluir sus átomos, aunque sea muy lentamente. Para colmo, a veces lo contrario también parece ser cierto: El océano se siente rígido si saltas sobre él desde un glaciar lo suficientemente alto. Entonces, ¿cuál es la diferencia entre un líquido y un sólido?
Físicos de Francia y Estados Unidos están proponiendo nuevas respuestas a esta pregunta fundamental. Tal como se señala en el artículo de marzo en Notices of the American Mathematical Society, los investigadores han identificado dos características de los materiales que cambian dramáticamente la forma en que interseccionan la temperatura y la presión, ahí donde los líquidos se vuelven sólidos. Estas características, dicen los físicos, podrían ser las que definan la diferencia entre ambos estados de la materia.
Charles Radin, un físico matemático de la Universidad de Texas, en Austin, y su antiguo alumno, David Aristoff, ahora matemático en la Universidad de Minnesota, argumentan que la principal diferencia entre líquidos y sólidos es la forma en que responden al corte, o las fuerzas de torsión. Los líquidos apenas resisten el corte y puede ser fácilmente desparramados, mientras que los sólidos, sin importar si son cristales, cuasicristales o vidrio, resisten los intentos de cambiar su forma.
La fase de transición de líquido a sólido, razonan Radin y Aristoff, debe estar marcada por su “respuesta al corte” de material desde cero a un valor positivo. Y según han observado en un modelo de material de dos dimensiones, en el que los átomos están representados por discos: a baja densidad corresponde una fase líquida del material, que no muestra respuesta alguna al corte, pero cuando los discos se empaquetan densamente, como están átomos en un sólido, el corte causa que el material se expanda. “El punto donde se muestra este efecto es exactamente la densidad, donde el sistema se vuelve cristalino”, dijo Radin. “Proponemos esto como una manera diferente de entender lo que es un sólido.”
El efecto de la respuesta cortante suele estar oscurecida por la forma en que los físicos hacen sus cálculos. Para identificar los límites de fase de un material (las curvas a través de las cuales éste cambia de sólido a líquido y a gas), ellos deben simplificar sus ecuaciones, con la pretensión de que el material sea tan grande que prácticamente no tenga bordes. Desafortunadamente, esta simplificación ignora la forma del material, lo que hace difícil determinar si la forma cambiará su respuesta al corte.
La innovación de Radiny Aristoff fue calcular la respuesta al corte en su modelo 2-D antes de tratar un material sin bordes. Esto es mucho más complicado, tanto que el cálculo de orden inverso aún no se ha resuelto, en general, para todos los materiales; pero el enfoque “es muy interesante y podría ser muy útil”, señala Stein.
Entre tanto, los físicos de Francia tomaron una vía diferente, aunque relacionada. Su razonamiento es que, la diferencia entre los sólidos y los líquidos es la velocidad a la que fluyen. El cristal, aunque es un sólido, se cree que fluye muy lentamente. Y los átomos individuales de los sólidos cristalinos, incluso los diamantes, puede saltar entre los defectos o puntos vacíos del entramado.
Los investigadores distinguen entre las velocidades de flujo de sólidos y líquidos, mediante la comparación de sus viscosidades, o sus respuestas al corte que varían con el tiempo (Honey, por ejemplo, es un líquido más viscoso que el agua). En un modelo 2-D de un sólido cristalino, han encontrado que a medida que la fuerza cortante se hace más pequeña, la viscosidad del cristal llega a ser enorme. Para ver un diamante que fluye bajo el tirón de la gravedad terrestre, “probablemente habría que esperar más que la edad del universo”, dijo Giulio Biroli, del Instituto de Física Teórica de la CEA en París.
Por el contrario, los líquidos ordinarios presentan una baja viscosidad incluso cuando el corte se aproxima a cero.
Los investigadores plantearon la hipótesis de que el cristal podría estar en algún lugar entre un sólido cristalino y un líquido, al mostrar una gran pero finita viscosidad a un pequeño corte. Otros físicos han demostrado desde entonces que la predicción es correcta en un modelo vidrio, a pesar de que aún no se haya probado experimentalmente.
“Nuestros caminos son complementarios”, dijo Biroli, del enfoque franco-americano. “Si tomamos ambos enfoques, creo que empezaremos a entender la diferencia entre un sólido y un líquido.”
David Ruelle, un físico matemático franco-belga, y autor de libros de texto clásicos sobre mecánica estadística, señaló que un conocimiento riguroso de los sólidos y los líquidos sería muy útil para predecir el comportamiento de los nuevos materiales, como los vidrios metálicos, los cuales tienen aplicaciones en la electrónica y la nanolitografía. Sin embargo, en un mundo donde reinan los sólidos y los líquidos, “es bueno simplemente con tener una comprensión básica”, añadió. “Yo no diría que por estas cosas te premien con un millón de dólares”.
– El artículo original con permiso de Simons Science News, una división editorial independiente de SimonsFoundation.org, cuya misión es mejorar la comprensión pública de la ciencia, y cubrir el desarrollo de las investigaciones y las tendencias en matemáticas, física y biología.
– Imagen 2): Modelo atómico cuasicristal. Foto: J.W. Evans, Ames Laboratory, U.S. Department of Energy.