Los diferentes estados de la materia en nuestro universo
Por Sebastian Grieninger (Investigador Postdoctoral en el IFT UAM-CSIC)
Cuando se le pregunta sobre los estados de la materia, la mayoría de la gente tiene la impresión de que solo hay tres estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso, pues estos son los tres estados que observamos en nuestra vida diaria. Sin embargo, es posible que se sorprenda al saber que hay muchos más estados de la materia; tantos que no podremos describirlos todos en esta entrada de nuestro blog.
En física, hablamos de un estado de la materia como una de las distintas formas en las que esta puede existir. Aunque ha habido múltiples intentos de definir qué estados de la materia existen y en qué punto los estados cambian, en última instancia, no existe una definición precisa, especialmente cuando se trata de los estados modernos de la materia. Algunos autores han sugerido que deberíamos pensar en los estados de la materia como un espectro entre un sólido y un plasma.
Sin embargo, esta es una pregunta muy interesante y me gustaría comenzar con una breve descripción de los estados clásicos de la materia más conocidos antes de hablar sobre los modernos. Históricamente, la distinción entre diferentes estados de la materia se basa en las diferencias cualitativas entre sus propiedades.
Los componentes de un sólido, por ejemplo, los átomos, se mantienen unidos entre sí por las fuerzas que se producen entre ellos. Los sólidos tienen una forma definida y un volumen fijo. Podemos clasificar los sólidos si existe un orden entre los diferentes átomos o moléculas. Por ejemplo, un sólido en el que los componentes están en un orden que se repite periódicamente se denomina sólido cristalino. Los sólidos que no exhiben ningún orden en absoluto son sólidos amorfos.
Representación esquemática de una forma vítrea de red aleatoria (izquierda) y una red cristalina ordenada (derecha) de idéntica composición química. File:SiO²_Quartz.svg
En los líquidos, las fuerzas moleculares son demasiado débiles para mantener las moléculas en una posición fija entre sí, pero hay suficiente atracción entre las moléculas para que estén en contacto entre sí. Como resultado, los líquidos tienen un volumen fijo pero no una forma fija.
Por el contrario, las fuerzas moleculares en un gas son bastante débiles, por lo que las moléculas se mueven en su mayor parte independientemente unas de otras. Un gas se adaptará a la forma y el volumen de su recipiente y, dado que no mantiene su forma, se expandirá para llenar todo el volumen del recipiente en el que está almacenado.
El cuarto estado fundamental de la materia, cuya existencia quizás desconozca, es el plasma. Así como un líquido hierve y se convierte en gas cuando se agrega energía, podemos formar un plasma al calentar un gas. Puede imaginarse un plasma como una sopa de partículas cargadas positivamente (iones) y partículas cargadas negativamente (electrones).
Como un gas, el plasma no tiene forma ni volumen definidos. Sin embargo, es una forma más extrema de materia en el sentido de que está tan caliente que los electrones se desprenden de los átomos formando un gas ionizado. A diferencia de los gases, los plasmas son conductores de electricidad, producen campos magnéticos y corrientes eléctricas y responden fuertemente a las fuerzas electromagnéticas.
Tormenta eléctrica. File:Lightning3.jpg, Una lámpara de plasma. File:Plasma-lamp_2.jpg, Las luces de neón generan luz gracias al neón en estado de plasma que hay en su interior. File:NeTube.jpg
Aunque el plasma suele ser un estado natural bastante poco común en la Tierra, es el estado de la materia más común del universo visible. En el cielo nocturno, el plasma brilla en forma de estrellas, nebulosas y luces polares. Esa rama de relámpago que rasga el cielo es plasma, también lo son los letreros de neón. Lo más importante es que nuestro sol, que por supuesto es una estrella y hace posible la vida en la tierra, está hecho de plasma. Además, el plasma se utiliza en luces de neón, bombillas fluorescentes y televisores de plasma.
Debido a que gran parte del universo está hecho de plasma, su comportamiento y propiedades son de gran interés para los científicos de muchas disciplinas. Es importante destacar que a las temperaturas requeridas para obtener energía de forma práctica a través de la fusión nuclear, toda la materia está en forma de plasma. Así se han utilizado las propiedades del plasma como gas cargado para confinarlo mediante campos magnéticos y calentarlo a temperaturas más altas que el núcleo del sol. Otros investigadores buscan plasmas para fabricar chips de computadora, propulsión de cohetes, limpiar el medio ambiente, destruir peligros biológicos, curar heridas y otras aplicaciones interesantes.
Por supuesto, agregando energía a un sistema o cambiando su volumen o presión, podemos transformar un estado de la materia en otro. Si calentamos un sólido, por ejemplo nieve, puede derretirse en su forma líquida: agua. Si añadimos más energía al hervir el agua, el agua se evaporará en forma de gas.
https://en.wikipedia.org/wiki/Phase_transition#/media/File:Phase_change_-_en.svg
Un último ejemplo son los cometas. Si un cometa que viaja a través del espacio se acerca demasiado al sol, el hielo se calentará tanto que se sublima en un estado gaseoso que es visible como cola.
https://simple.wikipedia.org/wiki/Comet#/media/File:CometDiagram.png Cola de gas (azul en el esquema) y cola de polvo (amarillo)
La mayoría de las descripciones tradicionales de los estados de la materia terminan en este punto, tras haber descrito los estados sólido, líquido, gaseoso y el plasma. Pero en la actualidad conocemos muchos más estados de la materia, que pueden separarse en estados de baja temperatura y alta energía.
A continuación, quiero centrarme en el estado de baja temperatura llamado condensado de Bose-Einstein. Primero, es importante saber que podemos clasificar las partículas compuestas a través de su momento angular intrínseco, también llamado espín.
Representación del espín electrónico, donde se aprecia que la magnitud total del espín es muy diferente a su proyección sobre el eje z. La proyección sobre los ejes «x» e «y» está indeterminada; una imagen clásica que resulta evocadora es la precesión de un trompo. https://es.wikipedia.org/wiki/Esp%C3%ADn
Llamamos fermiones a las partículas compuestas cuyo espín toma como valor múltiplos semienteros de la constante Planck ‘h barra’, por ejemplo, ±½, ±3/2, etc. Y denominamos bosones a aquellas partículas cuyo espín vale múltiplos enteros de la constante de Planck como 0, ±1, ±2.
Los electrones, que son partículas fundamentales de espín ± ½, son fermiones. Un ejemplo de bosón es el fotón que tiene spin igual a ±1.
Hay una diferencia muy importante entre fermiones y bosones: los fermiones obedecen al llamado Principio de Exclusión de Pauli; los bosones no.
Credit: L. Sonderhouse et al., Nat. Phys., 2020, doi:10.1038/s41567-020-0986-6
Según el principio de exclusión de Pauli, no hay dos fermiones que puedan ocupar exactamente el mismo estado cuántico. Si agregamos electrones a un núcleo atómico completamente ionizado, el primer electrón pasará a la configuración de menor energía posible: el estado fundamental. Si se agrega un segundo electrón, encontrará que el estado fundamental ya está ocupado. Para minimizar la energía de su configuración, cae al mismo estado, pero con su giro tomando el valor opuesto al del primer electrón. Cualquier electrón adicional necesita ir a estados de energía cada vez más altos.
Sin embargo, esto no es cierto para los bosones. Puede poner tantos bosones en la configuración del estado fundamental como desee. Al enfriar un sistema de bosones y restringirlos a la misma ubicación, puede colocar tantos bosones en el estado de energía más baja como desee y cuando todos están en el mismo estado cuántico de energía más baja, llamamos a este estado condensado de Bose-Einstein.
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=403804
El condensado de Bose-Einstein fue propuesto y descrito en la década de 1920 por Albert Einstein y Satyendra Nath Bose. Debido a las limitaciones de la tecnología, este estado de la materia siguió siendo teórico hasta que un equipo de científicos, Eric Cornell y Carl Wieman, pudieron crearlo en 1995 en un gas de rubidio. Un condensado de Bose-Einstein de fotones puede hacer posible generar luz con propiedades láser en el rango de rayos X y UV para aplicaciones de alta precisión, por ejemplo, en tecnología informática donde se utiliza luz láser para grabar circuitos en chips de computadora.
Expulsión del campo magnético. File:EXPULSION.png
File:Meissner_effect_p1390048.jpg
Un imán que levita sobre un superconductor de alta temperatura, enfriado con nitrógeno líquido. La corriente eléctrica persistente fluye sobre la superficie del superconductor y actúa para excluir el campo magnético del imán (ley de inducción de Faraday). Esta corriente forma efectivamente un electroimán que repele el imán.
Análogamente, podríamos intentar lograr un condensado de fermiones de manera similar a un condensado de Bose emparejando fermiones. Un ejemplo del resultado es el estado superconductor que alcanzan ciertos materiales a temperaturas normalmente muy bajas. El estado superconductor de la materia es literalmente superconductor: no presenta resistencia eléctrica en absoluto y los campos magnéticos son expulsados del material. Los metales son buenos conductores eléctricos pero aun así tienen cierta resistencia eléctrica. Debido a la resistencia se pierde algo de energía en forma de calor cuando los electrones se mueven a través del material. En los materiales superconductores esta resistencia eléctrica cae a cero si enfriamos el material por debajo de una cierta temperatura, su temperatura crítica, y por tanto conducen la corriente continua (CC) sin pérdida de energía. Los estados superconductores de la materia se utilizan, por ejemplo, en dispositivos médicos como los que obtienen imágenes por resonancia magnética o en aceleradores de partículas.
Un superfluido es un estado de la materia en el que la materia se comporta como un fluido con viscosidad cero. Un ejemplo es el helio-4. La sustancia, que parece un líquido normal, fluye sin fricción por ninguna superficie, lo que le permite seguir circulando sobre las obstrucciones y por los poros de los recipientes que la contienen, sujeta sólo a su propia inercia.
Otros estados incluyen el estado Hall de giro cuántico en semiconductores bidimensionales especiales, líquidos de giro cuántico en ciertos materiales magnéticos, el líquido String-net, el Dropleton, los cristales de tiempo y el polarón de Rydberg.
https://fisicamoderna2mynor.weebly.com/aporte-2.html
Un ejemplo de un estado de alta energía es el plasma de quarks y gluones o la sopa de quarks que existe a temperaturas y/o densidades extremadamente altas. Los quarks son partículas fundamentales de materia. El núcleo de los átomos está formado por protones y neutrones que, a su vez, están formados por 3 quarks. Un gluón es una partícula elemental que media la fuerza fuerte entre quarks, de manera similar al fotón que media la fuerza eléctrica entre partículas cargadas.
https://news.mit.edu/2010/exp-quark-gluon-0609
El plasma de quarks y gluones consta de quarks y gluones libres de la interacción fuerte que normalmente los confina, por ejemplo, en el interior de los protones y neutrones que forman los núcleos atómicos. Esta situación es similar al plasma convencional del que hablamos al principio del vídeo. En el plasma convencional, los núcleos y los electrones, generalmente confinados dentro de los átomos por fuerzas electrostáticas, pueden moverse libremente. El plasma de quark-gluones se puede crear durante muy muy poco tiempo en grandes colisionadores como el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN en Ginebra, o el Colisionador Relativista de Iones Pesados en Long Island, Nueva York al colisionar iones pesados como los iones de oro una velocidad próxima a la de la luz. También se cree que el universo temprano después del Big Bang estaba en el estado de plasma de quark-gluones antes de enfriarse. El plasma quarks y gluones podría ser el líquido más perfecto que conocemos: casi no tiene resistencia a la fricción y viscosidad. La viscosidad mide el «espesor»: por ejemplo, el jarabe tiene una viscosidad más alta que el agua.
El modelo interno de una estrella de neutrones.
File:Neutron_star_cross_section-es.svg
Otro estado interesante de alta energía es la materia degenerada que se puede encontrar a una altísima presión que está solo compensada por el principio de exclusión de Pauli. Los ejemplos incluyen materia degenerada de electrones en estrellas enanas blancas y materia degenerada de neutrones que se encuentra en estrellas de neutrones donde la gran presión gravitacional comprime los átomos con tanta fuerza que los electrones se ven obligados a combinarse con los protones. El estado resultante es tan denso que una cucharada pesa más de 900 mil millones de kg o lo mismo que el peso del Monte Everest.
Otros estados fascinantes incluyen materiales de fermiones pesados, el fluido supercrítico: un estado a temperaturas y presiones suficientemente altas donde desaparece la distinción entre líquido y gas.
Finalmente, un último ejemplo es el condensado de vidrio de color, un tipo de materia que según la teoría existe en núcleos atómicos que viajan cerca de la velocidad de la luz.
Como puede ver, existen muchos estados de la materia, muchos de los cuales tienen aplicaciones prácticas en nuestra vida diaria. Lo más interesante es que solo recientemente se ha vuelto tecnológicamente posible explorar estados más extremos en la física cuántica.
Hola