Físicos De Estado Sólido Consideren El ‘anticristal’

Los investigadores consideran el anticristal

Los materiales pueden describirse como pertenecientes a un espectro que va desde un cristal perfectamente ordenado hasta un anticristal perfectamente desordenado.

Los físicos muestran que el anticristal, un sólido teórico que está completamente desordenado, debería sustentar nuestra comprensión de la mayoría de los materiales.

Durante el último siglo, el concepto de cristales ha sido un pilar de la física del estado sólido. Los cristales son modelos de orden; Los materiales cristalinos se definen por los patrones repetidos que hacen sus átomos y moléculas constituyentes.

Ahora los físicos de la Universidad de Pensilvania y el Universidad de Chicago Tenemos evidencia de que un nuevo concepto debería sustentar nuestra comprensión de la mayoría de los materiales: el anticristal, un sólido teórico que está completamente desordenado.

Su trabajo sugiere que, al tratar de comprender las propiedades mecánicas de un material real, los científicos se beneficiarían en muchos casos de comenzar con el marco del anticristal y agregar orden, en lugar de comenzar con un cristal perfecto y agregar desorden. Esto se debe a que las propiedades mecánicas de incluso un sólido ligeramente desordenado pueden tener más en común con un anticristal que con un cristal perfecto.

Comprender estas propiedades es fundamental para modelar cómo responderán los materiales al estrés, así como para diseñar nuevos materiales y predecir su comportamiento.

El estudio, publicado en Nature Physics, fue realizado por Andrea Liu, profesora de física en la Facultad de Artes y Ciencias de Penn; Carl Goodrich, estudiante de posgrado de su grupo; y Sidney Nagel, profesor de física en la Universidad de Chicago.

“Una de las razones por las que la idea del cristal perfecto ha tenido tanto éxito durante los últimos 100 años”, dijo Goodrich, “es porque las propiedades de un cristal imperfecto a menudo son muy similares”.

Fuera de condiciones extremadamente controladas, ningún cristal real es perfecto; siempre hay lugares de desorden dentro del patrón general, que se conocen como defectos. Sin embargo, al describir el comportamiento de un material cristalino, los científicos comienzan por tratarlo como si fuera un cristal perfecto y luego extrapolan desde ese punto en función de la prevalencia de sus defectos. No es necesario conocer la forma exacta y la ubicación de cada defecto.

“Pero si sigues agregando desorden, la extrapolación del cristal perfecto falla gravemente. Las propiedades mecánicas ya no se pueden describir bien desde el cristal perfecto. Ahí es donde entra el anticristal ”, dijo Goodrich.

Los materiales no cristalinos o amorfos pueden tener regiones dentro de ellos que tienen átomos en diferentes patrones repetidos pero sin un orden general. Esto significa que las propiedades del vidrio o del plástico no se pueden inferir de un cristal perfecto, pero. trabajar desde el otro extremo del espectro, un sólido perfectamente desordenado, no había sido factible. No todos los desórdenes son iguales; una baraja de cartas, por ejemplo, tiene un orden “correcto” pero se puede barajar en una cantidad astronómicamente grande de secuencias diferentes.

“En la última década”, dijo Liu, “muchos investigadores han demostrado que todas esas diferentes formas de estar totalmente desordenado tienen algo importante en común, como la probabilidad de que dibujes una mano determinada, incluso dadas todas las formas puedes barajar una baraja de cartas.

“Ahora entendemos que, para una determinada clase de interacciones, existe un punto de partida para comprender por qué diferentes lentes tienen propiedades similares”, dijo. “Es la transición de fase que ocurre cuando un fluido se convierte en un sólido desordenado bajo presión, lo que llamamos ‘transición de interferencia’”.

Una transición de fase es lo que sucede cuando un estado de la materia se convierte en otro, como cuando el agua se congela. Una disminución de la temperatura significa que los átomos de hidrógeno y oxígeno del agua ya no tienen suficiente energía para rebotar fuera del patrón de seis lados en el que se anidan naturalmente. Sin poder moverse y fluir entre sí, los átomos de hidrógeno y oxígeno se cristalizan en hielo sólido.

Sin embargo, otra forma de producir un sólido es atascando partículas (como átomos, moléculas o incluso granos de arena) juntas, restringiendo físicamente sus movimientos bajo alta presión.

“Cada vez que tiene un punto crítico como una transición de fase, el estudio de los detalles muy cerca de esa transición le indica cómo se comportan los sistemas más alejados de la transición”, dijo Goodrich.

Al extrapolar la transición de interferencia, los investigadores demostraron que incluso los materiales bastante ordenados exhibían comportamientos más cercanos a los del anticristal que a los de un cristal perfecto.

“Se necesitan siete barajas para aleatorizar totalmente un mazo ordenado. Pero supongamos que lo baraja una vez ”, dijo Goodrich. “Lo que estamos diciendo es que, cuando se trata del comportamiento mecánico de los materiales, incluso esta plataforma está más cerca de ser totalmente barajada que totalmente ordenada”.

“Cincuenta y dos es un gran número cuando se piensa en permutaciones”, dijo Liu, “pero no está ni cerca del número de Avogadro y las diferentes formas en que se pueden organizar todos los átomos en un trozo de vidrio”.

Tener un mejor punto de partida para el vidrio o el plástico sería de gran ayuda tanto para la investigación como para el diseño industrial, pero los principios del anticristal son poderosos porque también pueden proporcionar información sobre muchos materiales cristalinos. Hacer aleaciones como el acero más fuertes a menudo implica hacer que sus patrones cristalinos sean cada vez más pequeños, lo que significa que su comportamiento es mejor y mejor descrito por el anticristal.

“Así como un cristal perfecto tiene propiedades muy bien definidas”, dijo Liu, “el anticristal tiene propiedades bien definidas, y podemos pensar que los materiales reales están en algún lugar entre los dos. Lo que hemos demostrado es que no hace falta mucho desorden antes de que el anticristal sea un mejor punto de partida “.

La investigación fue apoyada por el Departamento de Energía de los Estados Unidos y la Fundación Nacional de Ciencias.

Publicación : Carl P. Goodrich, et al., “Sólidos entre los extremos mecánicos del orden y el desorden”, Nature Physics, 2014; doi: 10.1038 / nphys3006

Imagen: Universidad de Pennsylvania

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