La transición vítrea es el proceso mediante el cual ciertos materiales con características líquidas se transforman en sólidos sin formar una estructura cristalina. A diferencia de los materiales sólidos convencionales, que presentan una disposición ordenada de átomos, el vidrio se caracteriza por una estructura atómica desordenada. Este fenómeno ha captado la atención de investigadores por su relevancia en la física de materiales y su potencial aplicación en diversas industrias.
Recientemente, un grupo de investigadores de la Universidad de Soochow, la Universidad Tecnológica de Nanyang y el Instituto de Tecnología de Pekín realizó un estudio sobre los efectos de la rugosidad superficial en la transición vítrea de partículas alargadas conocidas como elipsoides coloidales. El trabajo, publicado en Physical Review Letters, revela que la introducción de pequeñas irregularidades en la superficie de estas partículas puede interrumpir su transición hacia el estado vítreo.
Según el Dr. Ran Ni, autor principal del estudio, «uno de los debates centrales en torno a la transición vítrea es la relación entre la estructura y la dinámica en líquidos formadores de vidrio». Investigaciones anteriores habían identificado diversas características estructurales que podrían estar vinculadas a la heterogeneidad dinámica, un fenómeno que se vuelve aún más pronunciado durante la transición vítrea de partículas anisotrópicas.
Impacto de la Rugosidad Superficial
El objetivo del estudio fue profundizar en la correlación bien documentada entre la estructura y la dinámica de sistemas anisotrópicos, particularmente en el caso de los elipsoides coloidales en monolayer. Los investigadores buscaron determinar si esta correlación se mantenía robusta tras la introducción de modificaciones menores en la forma de las partículas, que alteraban su rugosidad superficial.
Las modificaciones realizadas no alteraron cualitativamente las propiedades estructurales del sistema, permitiendo a los investigadores aislar su impacto en la dinámica. Para llevar a cabo este análisis, realizaron experimentos en el laboratorio y simulaciones de dinámica molecular. Utilizaron un sistema coloidal que puede ser visualizado directamente mediante microscopía óptica, lo que les permitió analizar partículas individuales.
El Dr. Ni explicó: «Controlando con precisión la morfología de las partículas coloidales, examinamos sistemáticamente cómo variaciones sutiles en la forma influyen en el comportamiento del sistema». Este enfoque dual permitió obtener una comprensión más profunda de cómo la rugosidad superficial altera la transición vítrea.
Los hallazgos demostraron que, aunque la rugosidad superficial de los elipsoides coloidales no afecta sus características estructurales, sí puede alterar drásticamente sus propiedades dinámicas. Al introducir pequeñas irregularidades en la superficie de las partículas, el equipo logró evitar que estas transicionaran hacia lo que se conoce como vidrio orientacional, en el cual la rotación de las partículas es vítrea, mientras que su movimiento translacional permanece líquido.
El Dr. Ni agregó: «Específicamente, observamos que la transición vítrea en dos etapas, característica de los elipsoides coloidales lisos, desaparece cuando se introduce incluso un leve grado de rugosidad superficial». Esto desafía la generalidad de la correlación estructura-dinámica en líquidos formadores de vidrio y sugiere que la rugosidad superficial podría servir como un nuevo parámetro de diseño para ajustar las propiedades dinámicas y mecánicas de materiales vítreos.
El trabajo reciente de este equipo de investigadores avanza en la comprensión de la comunidad física sobre la transición vítrea, al tiempo que presenta un enfoque prometedor para modificar las propiedades de los materiales. En el futuro, podría influir en la ingeniería de materiales para una amplia gama de aplicaciones, desde robots blandos hasta productos de consumo.
El Dr. Ni concluyó: «A medida que avancemos, planeamos investigar más a fondo cómo la rugosidad superficial influye en el ensamblaje dinámico de partículas anisotrópicas. Nuestro objetivo es establecer una conexión general entre la rugosidad superficial y la dinámica colectiva de partículas rugosas. Si tenemos éxito, esta investigación podría abrir nuevas avenidas para diseñar materiales funcionales suaves con propiedades mecánicas adaptadas, proporcionando un grado adicional de control en la ingeniería de materiales».
