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Universal explanation of low-temperature glass anomalies

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Poner cierto orden en los sólidos amorfos desordenados

Gracias a unos modelos computacionales y numéricos innovadores, un grupo de físicos ha mejorado la comprensión de las características y el comportamiento de los sólidos amorfos como el vidrio.

Investigación fundamental icon Investigación fundamental

¿Qué tienen en común las ventanas, las botellas de plástico, los neumáticos de caucho, los caramelos duros y la mayonesa? Todos son sólidos amorfos. Francesco Zamponi, físico de la École Normale Supérieure de París, explica: «A diferencia de los sólidos cristalinos bien organizados, los amorfos son un caos desordenado. Presentan una amplia gama de anomalías (como modos vibracionales de baja frecuencia), su calor específico y su conductividad térmica se comportan de manera diferente a los cristales, responden de forma no lineal a deformaciones arbitrariamente pequeñas y tienen una dinámica altamente cooperativa». Debido a que estas anomalías no se comprenden del todo bien desde el punto de vista teórico, los sólidos amorfos se ignoran en gran medida en la mayoría de los libros de texto de física estándar. Sin embargo, con el apoyo del proyecto financiado con fondos europeos GlassUniversality, Zamponi espera cambiar esta situación. «Nuestro objetivo era sentar unas bases “sólidas” sobre algunos aspectos clave de los sólidos amorfos que sirvan de punto de partida para el desarrollo de otros proyectos de investigación», añade.

Presentación de la transición de Gardner

Una de las propuestas teóricas para establecer una explicación universal de todas las anomalías asociadas a los sólidos amorfos se basa en la transición de Gardner. Llamada así por la física pionera en física estadística de los sistemas desordenados y de la inteligencia artificial que la descubrió, physicist (Elisabeth Gardner), el concepto describe una transición inducida por la temperatura o la presión en la que un sistema desordenado (por ejemplo, los sólidos amorfos) se organiza en uno de los numerosos estados marginalmente estables. «Queríamos entender hasta qué punto esta transición de fase controla la física del vidrio a bajas temperaturas», explica Zamponi. Mediante simulaciones informáticas y numéricas, los investigadores se propusieron caracterizar las excitaciones y los defectos de distintos tipos de vidrio. Las excitaciones y los defectos se refieren a los pequeños movimientos atómicos térmicos en torno a la estructura sólida desordenada de referencia y que controlan el comportamiento a baja temperatura del sólido. «La estabilidad marginal inducida por la transición de Gardner predice que tales movimientos serán extensos, al abarcar toda la muestra sólida, y estarán fuertemente correlacionados, ya que el movimiento del átomo en un lado refleja el movimiento que ocurre en el otro», señala Zamponi.

Algunos descubrimientos inesperados

¿Fue así en realidad? Lo que los investigadores descubrieron es que estas excitaciones de tipo Gardner existen, pero solo en vidrios que están lo suficientemente cerca del llamado «punto de atasco», punto en el que se forma por primera vez una red mecánicamente estable de interacción atómica tras la compresión. Zamponi comenta: «No solo fue un hallazgo inesperado, sino que también supuso un reto. Como no esperábamos que las excitaciones de tipo Gardner desaparecieran lejos del atasco, tuvimos que desarrollar nuevas simulaciones para entender cómo se localizan e interactúan estas excitaciones». Los investigadores también descubrieron que, cuando un vidrio se comprime fuertemente por encima del punto de atasco, como es el caso del tipo de vidrio utilizado en la mayoría de las ventanas, las excitaciones se vuelven fuertemente localizadas en el sentido de que solo implican el movimiento de unos pocos átomos. Se trata de la primera vez que, empleando un modelo informático realista de vidrios, se realiza una observación y caracterización directa de este tipo de excitaciones, denominadas sistemas de tunelización de dos niveles y que desempeñan un papel crucial en la física de los vidrios. Muchos de los resultados de este proyecto financiado por el Consejo Europeo de Investigación se han publicado en el libro «Theory of simple glasses».

Una puerta abierta a nuevos campos de investigación

Si bien el trabajo del proyecto GlassUniversality ha mejorado nuestra comprensión de los sólidos amorfos como el vidrio, también ha abierto la puerta a investigaciones en otros campos. Tomemos, por ejemplo, las proteínas. Dado que las proteínas pueden considerarse sistemas sólidos desordenados capaces de desempeñar funciones específicas, muchas de las ideas procedentes del proyecto GlassUniversality pueden aplicarse a su estudio. «Creo que el diseño de materiales desordenados que puedan desempeñar funciones específicas es una orientación apasionante para futuras investigaciones», concluye Zamponi.

Palabras clave

GlassUniversality, sólidos cristalinos, sólidos amorfos, modelos computacionales, modelos numéricos, vidrio, física, transición de Gardner, proteínas

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