El vidrio, un material que parece cotidiano y común en nuestra vida diaria, encierra en su estructura física una complejidad que aún no es completamente comprendida por los científicos. Algunos tipos de cristal, como los vitrales de edificaciones medievales, han permanecido inalterados durante siglos, con sus moléculas en un estado perpetuo de desorden.
Los líquidos superenfriados, por su parte, no son sólidos en el sentido estricto, ya que sus partículas fundamentales no se adhieren a un patrón de red con orden a largo alcance. Al mismo tiempo, tampoco se comportan como líquidos normales, debido a que sus partículas carecen de la energía suficiente para moverse libremente. Es evidente que se requiere de una investigación más profunda para desentrañar la física que rige estos sistemas complejos.
Investigación en líquidos vidriosos
Recientemente, un estudio publicado en Nature Materials por investigadores del Instituto de Ciencia Industrial de la Universidad de Tokio ha empleado simulaciones computacionales avanzadas para modelar el comportamiento de partículas en un líquido superenfriado vítreo. El enfoque del estudio se basa en el concepto de energía de activación de Arrhenius, que se refiere a la barrera energética que un proceso debe superar para llevarse a cabo.
Un ejemplo de esto es la energía necesaria para reordenar partículas individuales en un material desordenado. El comportamiento denominado «Arrhenius» implica que un proceso depende de fluctuaciones térmicas aleatorias, y la tasa de estos procesos disminuye exponencialmente a medida que la barrera energética se eleva. Sin embargo, las situaciones que requieren un reordenamiento cooperativo de partículas son aún más raras, especialmente a bajas temperaturas, y se les denomina relaciones super-Arrhenius.
Este nuevo estudio es pionero en demostrar la relación entre el orden estructural y el comportamiento dinámico de los líquidos a nivel microscópico. «Utilizando análisis numéricos dentro de un modelo computacional de líquidos formadores de vidrio, mostramos cómo el reordenamiento de partículas fundamentales puede influir en el orden estructural y el comportamiento dinámico», afirma el autor principal del estudio, Seiichiro Ishino.
El equipo presentó un proceso que denominan «T1», que mantiene el orden dentro del líquido, y que es clave para entender la dinámica cooperativa. Si un proceso T1 interrumpe el orden estructural local, implica el movimiento independiente de partículas, lo que resulta en un comportamiento normal tipo Arrhenius. En contraste, si el reordenamiento T1 mantiene el orden local de manera cooperativa, su influencia se expande, llevando a un comportamiento super-Arrhenius.
Las conclusiones del estudio ofrecen una nueva perspectiva microscópica sobre el origen de la cooperatividad dinámica en sustancias formadoras de vidrio. «Esperamos que estos hallazgos contribuyan a un mejor control de la dinámica de los materiales, lo que llevará a un diseño más eficiente de materiales y a procesos de fabricación de vidrio mejorados», destaca el autor senior Hajime Tanaka. Esto podría incluir la producción de vidrios más resistentes y duraderos para aplicaciones como smartphones y otros dispositivos.
Más información:
Origen estructural microscópico de las dinámicas lentas en líquidos formadores de vidrio, Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-024-02068-8
