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Un vidrio ultraestable muestra una excepción a las propiedades universales de los vidrios

Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) han observado un comportamiento inesperado del calor específico a bajas temperaturas en los vidrios ultraestables de indometacina.


FUENTE | UAM - mi+d
10/09/2014
 
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Una característica fundamental de los sólidos amorfos o vidrios es que, independientemente de su naturaleza y composición, presentan una serie de propiedades universales en el rango de bajas temperaturas; propiedades que también se conocen como 'anomalías vítreas'.

Esquema de los pozos de energía asociados a un sistema de dos niveles (TLS), junto con la molécula de indometacina y la gráfica de capacidad calorífica que muestra la supresión de los TLS en las muestras ultraestables de indometacina
Esquema de los pozos de energía asociados a un sistema de dos niveles (TLS), junto con la molécula de indometacina y la gráfica de capacidad calorífica que muestra la supresión de los TLS en las muestras ultraestables de indometacina

Durante cuatro décadas los físicos han explicado la ubicuidad de estas propiedades a partir de un modelo denominado Modelo de Tunneling, el cual contempla una amplia distribución de procesos de tuneleo cuántico entre dos estados configuracionales de similar energía pero sin interacción directa. El modelo, sin embargo, tiene importantes detractores, como el Premio Nobel de Física Anthon y Leggett, quien sostiene que es muy improbable que sistemas no interactuantes de este tipo puedan dar lugar a propiedades tan universales como las anomalías vítreas.

En un trabajo reciente, publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS, físicos de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) han descubierto que los esperados estados de tuneleo cuántico no se encuentran en un nuevo tipo de vidrios ultraestables de una molécula orgánica denominada indometacina, al medir su calor específico hasta temperaturas por debajo de 1 K.

EL CURIOSO CASO DE LOS VIDRIOS ULTRAESTABLES DE INDOMETACINA

En Estrella de plata, uno de los famosos relatos de Arthur Conan Doyle, el detective Sherlock Holmes llama la atención sobre "el curioso incidente del perro a medianoche". Cuando el inspector de Scotland Yard replica que el perro no hizo nada la noche anterior, Holmes responde: "Ese es precisamente el incidente curioso".

Algo semejante ocurre en el caso de los vidrios ultraestables de indometacina: lo anómalo es precisamente la ausencia de la anomalía.

"Fue una verdadera sorpresa ver que la universal contribución lineal con la temperatura al calor específico no aparecía en el vidrio ultraestable. A instancias de mi director de tesis, que no acababa de creérselo, repetí varias veces los experimentos hasta que quedamos convencidos de su reproducibilidad", señala Tomás Pérez Castañeda, quien realizó las medidas de calor específico en el Laboratorio de Bajas Temperaturas del departamento de Física de la Materia Condensada de la UAM.

Por su parte, Miguel Ángel Ramos, profesor del departamento de Física de la Materia Condensada de la UAM, y principal responsable del trabajo, explica que:

"Los experimentos complementarios de difracción de rayos X y calorimetría, y la comparación con otro trabajo nuestro anterior en vidrios de ámbar estabilizados durante 110 millones de años, nos han llevado a concluir que la clave del inesperado comportamiento observado está en la anisotropía y el particular crecimiento por capas del vidrio ultraestable de indometacina, no en la gran estabilización termodinámica por sí misma. Esto, a su vez, pensamos que respalda las ideas de Leggett y otros sobre las imprescindibles interacciones entre los sistemas de dos niveles, aunque serán necesarios más experimentos en materiales relacionados para confirmar nuestras hipótesis".

VIDRIOS ULTRAESTABLES

Los vidrios ultraestables representan uno de los desarrollos recientes más novedosos e intrigantes en la ciencia de los materiales vítreos. Se trata de una nueva familia de vidrios que poseen una estabilidad termodinámica y cinética muy superior a los vidrios convencionales, habitualmente preparados a partir del líquido sobrenfriado.

"Este nuevo tipo de vidrios se prepara en forma de capa fina a partir de la fase vapor, y pueden conseguirse en pocas horas materiales con una estabilidad tan elevada que se requerirían millones de años en producirlos por la técnicas convencionales. De ahí el nombre de ultraestables", explica Javier Rodríguez-Viejo, quien dirige en la UAB uno de los grupos de investigación punteros en este tipo de materiales, y que Junto a Cristian Rodríguez-Tinoco preparó y caracterizó los vidrios de indometacina.

Los vidrios ultraestables fueron descubiertos en 2007 por un grupo de la Universidad de Madison (EE.UU.). En la actualidad son objeto de una intensa actividad científica. Poseen propiedades diferenciadas de otros vidrios, por ejemplo temperaturas de transición vítrea más elevadas, menor absorción de agua, menor envejecimiento frente a tratamientos térmicos, mayor densidad, propiedades mecánicas mejoradas y una larga lista que los hacen potencialmente interesantes para nuevas aplicaciones. Además, se piensa que pueden ser una pieza clave para desentrañar algunos de los enigmas actuales del estado vítreo, como la posible existencia de una transición de fase de primer orden que queda enmascarada por el cese repentino del movimiento traslacional de las moléculas al disminuir la temperatura.


Referencia bibliográfica:
Suppression of tunneling two-level systems in ultrastable glasses of indomethacin. Tomás Pérez-Castañeda, Cristian Rodríguez-Tinoco, Javier Rodríguez-Viejo and Miguel A. Ramos PNAS 111, 11275 (2014).




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