Descubren un nuevo mecanismo que impulsa la transición de vidrio a líquido

Investigadores del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2) y de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) han descubierto un mecanismo que aporta nuevos conocimientos sobre la transición de vidrio a líquido, un fenómeno complejo que aún guarda muchos secretos.

La investigación, que publica la revista 'Nature Physics', ha revelado un nuevo mecanismo que impulsa la transición de vidrio a líquido en condiciones específicas, en un trabajo que han dirigido Javier Rodríguez-Viejo (ICN2) y Marta González-Silveira (UAB).

Los investigadores han augurado que estos resultados impulsarán nuevas investigaciones y permitirán aplicaciones novedosas y mejoradas, en particular en el campo de la electrónica orgánica.

Los autores del trabajo han recordado que los vidrios son materiales peculiares que presentan excelentes y bien conocidas propiedades, aunque quedan algunos fenómenos que aún no se han comprendido del todo, a pesar de que se hayan estudiado durante más de un siglo.

En particular, los científicos aún no han llegado a una descripción completa del proceso de formación del vidrio, al enfriar un líquido, y de la transición inversa del vidrio a un estado más estable –llamado líquido superenfriado– cuando se calienta, aunque, con este estudio, han arrojado nueva luz sobre este enigma.

Un vidrio es un sólido amorfo, un estado de la materia caracterizado por la ausencia de un orden de largo alcance, es decir, no tiene una estructura cristalina como un sólido normal, pero sus moléculas tampoco pueden moverse como en un líquido, debido a una viscosidad muy elevada.

Como este estado no es energéticamente estable, los átomos o las moléculas de los vidrios tienden a reconfigurarse con el tiempo, lo que los lleva hacia configuraciones más estables, un proceso que se produce de forma natural y se ve facilitado por el aumento de la temperatura.

Cuando un vidrio se calienta hasta su temperatura de transición específica, sus componentes adquieren una movilidad adicional y el material se convierte en un líquido superenfriado.

Convencionalmente, esta transición de vidrio a líquido se describe como un proceso dinámico en el que los átomos o las moléculas pasan por una relajación cooperativa, lo que significa que las regiones del vidrio que tienen una movilidad ligeramente superior inducen a las zonas adyacentes a pasar progresivamente al estado líquido y a alcanzar una fase de equilibrio.

Según esta teoría, el aumento de la movilidad es gradual y la relajación se produce en todo el material de forma cooperativa y casi uniforme.

Ahora, este estudio proporciona una descripción más precisa de este fenómeno ya que los investigadores han demostrado que, en condiciones específicas, la transición de vidrio a líquido superenfriado puede originarse por una rápida formación de regiones líquidas localizadas, cuya movilidad es mucho mayor que la del resto del material y que se expanden rápidamente.

"Esto da lugar a un estado en el que partes del material ya se encuentran en una fase líquida estable, mientras que otras siguen siendo vítreas, algo que no ocurre con la relajación cooperativa. Para que estos dos estados coexistan en regiones localizadas, la diferencia de movilidad entre las partes líquidas y las vítreas debe ser muy significativa", han precisado los investigadores.

Los autores han demostrado que ambos mecanismos –la formación de regiones líquidas en expansión y la relajación cooperativa– pueden tener lugar cuando se calienta el vidrio, dependiendo de las condiciones del proceso y que una de las dos prevalece dependiendo de la temperatura específica del vidrio, pero no del procedimiento utilizado para formar el vidrio original ni de su estabilidad inicial.

Para hacer este estudio, los científicos han utilizado técnicas avanzadas de laboratorio, como la nanocalorimetría, que permite observar la dinámica del vidrio a escala nanométrica y medir rangos de temperatura y escalas de tiempo que no se pueden alcanzar con los métodos convencionales.

Según los investigadores, este trabajo "abre camino a nuevas teorías y estudios" para tener un conocimiento más profundo de la física del vidrio y permitir aprovechar sus propiedades para aplicaciones nuevas o mejoradas.

EFE