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» » Las transiciones entre estados de la materia son más complicadas de lo que parece

Referencia: ScienceDaily.com , 6 de noviembre 2014

El aparentemente simple proceso de cambio de fase --las transiciones entre estados de la materia-- es más complejo de lo que anteriormente se conocía. El nuevo estudio según un estudio basado en la Universidad de Princeton, la Universidad de Beijing y la Universidad de Nueva York.revela la necesidad de replantear uno de los bloques de construcción de la ciencia y, junto a ello, cómo algunos de los principios básicos que subyacen al comportamiento de la materia que se enseña en nuestras aulas.

Derretimiento de hielo. Crédito: © shefkate / Fotolia
El estudio aparece en la revista Science, donde se revela los investigadores examinaron la manera en el que un cambio de fase, en concreto la fusión de un sólido, se produce a un nivel microscópico, y descubrieron que la transición es mucho más complicada que lo habían representado modelos anteriores.

"Esta investigación demuestra que los cambios de fase pueden seguir múltiples vías, lo cual es contrario a lo que sabíamos", explica Mark Tuckerman, profesor de química y matemáticas aplicadas en la Universidad de Nueva York y uno de los co-autores del estudio. "Esto significa que las simples teorías acerca de las transiciones de fase que enseñamos en nuestras aulas no están en lo cierto."

Según Tuckerman, los científicos tendrán que cambiar su idea al respecto y también de enseñarlo.

El trabajo es el fruto de un proyecto de 10 años en Princeton para desarrollar un marco algoritmos matemáticos e informáticos para estudiar el comportamiento complejo de estos sistemas, explicó el autor principal de Weinan E., profesor del Departamento de Matemáticas y del Programa en Matemáticas Aplicadas y Computacionales de Princeton. Los cambios de fase resultaron ser un caso de prueba crucial para su algoritmo, dijo Weinan. Ambos, Weinan y Tuckerman trabajaron con Amit Samanta, investigador postdoctoral en Princeton, ahora en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, y Tang-Qing Yu, investigador postdoctoral en el Instituto Courant de Ciencias Matemáticas de la Universidad de Nueva York.

"Fue un caso de prueba para el más potente conjunto de herramientas que hemos desarrollado para estudiar las preguntas difíciles acerca de los fenómenos complejos, como son las transiciones de fase", explicaba Weinan. "La fusión de un relativamente simple sólido atómico, como un metal, demostró ser enormemente rico. Con el conocimiento que hemos adquirido a partir de este caso, el próximo objetivo es sondear los sólidos moleculares más complejos, como el hielo."

Estos hallazgos revelan que la transición de fase puede ocurrir a través de múltiples vías que compiten entre sí, y que las transiciones implican al menos dos pasos. Según se muestra, a lo largo de una de estas vías, el primer paso en el proceso de transición es la formación de defectos puntuales, defectos locales que se producen en o alrededor de un único sitio de la red en un sólido cristalino. Tales defectos resultan ser altamente móviles. En un segundo paso, estos defectos puntuales migran al azar y, ocasionalmente, se reúnen para formar grandes y desordenados cúmulos de defectos.

Este mecanismo predice que "el cúmulo desordenado crece desde el exterior en lugar de hacerlo de dentro afuera, como sugieren las explicaciones actuales", apunta Tuckerman. "Con el tiempo, estos grupos crecen y, eventualmente, se vuelven lo suficientemente grandes como para causar la transición de sólido a líquido."

A lo largo de la vía alternativa, los defectos crecen en líneas delgadas de desorden (llamadas "dislocaciones") que alcanzan todo el sistema. Regiones de pequeños líquidos acompañan estas dislocaciones, estas regiones se expanden desde la región de la dislocación, que va envolviendo cada vez más al sólido, hasta que todo el sistema se convierte en líquido.

Este estudio modela este proceso mediante un trazado de los metales de cobre y aluminio, desde un sólido atómico a un estado líquido atómico. Los investigadores utilizaron modelos y algoritmos avanzados computerizados para reexaminar el proceso de cambio de fase a nivel microscópico.

"Las transiciones de fase siempre han sido algo así como un misterio, ya que representan un cambio drástico en el estado de la materia", observa Tuckerman. "Cuando un sistema cambia de sólido a líquido, sus propiedades cambian sustancialmente."

Y añade que esta investigación demuestra el sorprendente carácter incompleto de los modelos anteriores de nucleación y cambios de fase, además de ayudar a llenar los vacíos existentes en el conocimiento científico básico.

Un trabajo financiado por la Oficina de Investigación Naval (N00014-13-1-0338), la Oficina de Investigación del Ejército (W911NF- 11-1-0101), el Departamento de Energía (DE-SC0009248, DE-AC52-07NA27344), y la Fundación Nacional de Ciencias de China (CHE-1301314).


- Fuente: Universidad de Nueva York.
- Publicación: A. Samanta, M. E. Tuckerman, T.-Q. Yu, W. E. Microscopic mechanisms of equilibrium melting of a solid. Science, 2014; 346 (6210): 729 DOI: 10.1126/science.1253810 .
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