{"id":1057,"date":"2021-10-29T09:38:18","date_gmt":"2021-10-29T08:38:18","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/?p=1057"},"modified":"2021-10-29T14:32:29","modified_gmt":"2021-10-29T13:32:29","slug":"los-diferentes-estados-de-la-materia-en-nuestro-universo","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/2021\/10\/29\/1057\/","title":{"rendered":"Los diferentes estados de la materia en nuestro universo"},"content":{"rendered":"

Por Sebastian Grieninger<\/a>\u00a0(Investigador Postdoctoral en el IFT UAM-CSIC)<\/p>\n

Cuando se le pregunta sobre los estados de la materia, la mayor\u00eda de la gente tiene la impresi\u00f3n de que solo hay tres estados de la materia: s\u00f3lido, l\u00edquido 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 m\u00e1s estados de la materia; tantos que no podremos describirlos todos en esta entrada de nuestro blog.<\/p>\n

En f\u00edsica, hablamos de un estado de la materia como una de las distintas formas en las que esta puede existir. Aunque ha habido m\u00faltiples intentos de definir qu\u00e9 estados de la materia existen y en qu\u00e9 punto los estados cambian, en \u00faltima instancia, no existe una definici\u00f3n precisa, especialmente cuando se trata de los estados modernos de la materia. Algunos autores han sugerido que deber\u00edamos pensar en los estados de la materia como un espectro entre un s\u00f3lido y un plasma.<\/p>\n

Sin embargo, esta es una pregunta muy interesante y me gustar\u00eda comenzar con una breve descripci\u00f3n de los estados cl\u00e1sicos de la materia m\u00e1s conocidos antes de hablar sobre los modernos. Hist\u00f3ricamente, la distinci\u00f3n entre diferentes estados de la materia se basa en las diferencias cualitativas entre sus propiedades.<\/p>\n

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States-of-Matter-1024×683.jpg<\/a><\/p>\n

Los componentes de un s\u00f3lido, por ejemplo, los \u00e1tomos, se mantienen unidos entre s\u00ed por las fuerzas que se producen entre ellos. Los s\u00f3lidos tienen una forma definida y un volumen fijo. Podemos clasificar los s\u00f3lidos si existe un orden entre los diferentes \u00e1tomos o mol\u00e9culas. Por ejemplo, un s\u00f3lido en el que los componentes est\u00e1n en un orden que se repite peri\u00f3dicamente se denomina s\u00f3lido cristalino. Los s\u00f3lidos que no exhiben ning\u00fan orden en absoluto son s\u00f3lidos amorfos.<\/p>\n

\"\u00c1tomos\"Patr\u00f3n<\/p>\n

Representaci\u00f3n esquem\u00e1tica de una forma v\u00edtrea de red aleatoria (izquierda) y una red cristalina ordenada (derecha) de id\u00e9ntica composici\u00f3n qu\u00edmica. File:SiO\u00b2_Quartz.svg<\/a><\/p>\n

En los l\u00edquidos, las fuerzas moleculares son demasiado d\u00e9biles para mantener las mol\u00e9culas en una posici\u00f3n fija entre s\u00ed, pero hay suficiente atracci\u00f3n entre las mol\u00e9culas para que est\u00e9n en contacto entre s\u00ed. Como resultado, los l\u00edquidos tienen un volumen fijo pero no una forma fija.<\/p>\n

Por el contrario, las fuerzas moleculares en un gas son bastante d\u00e9biles, por lo que las mol\u00e9culas se mueven en su mayor parte independientemente unas de otras. Un gas se adaptar\u00e1 a la forma y el volumen de su recipiente y, dado que no mantiene su forma, se expandir\u00e1 para llenar todo el volumen del recipiente en el que est\u00e1 almacenado.<\/p>\n

El cuarto estado fundamental de la materia, cuya existencia quiz\u00e1s desconozca, es el plasma. As\u00ed como un l\u00edquido hierve y se convierte en gas cuando se agrega energ\u00eda, podemos formar un plasma al calentar un gas. Puede imaginarse un plasma como una sopa de part\u00edculas cargadas positivamente (iones) y part\u00edculas cargadas negativamente (electrones).<\/p>\n

Como un gas, el plasma no tiene forma ni volumen definidos. Sin embargo, es una forma m\u00e1s extrema de materia en el sentido de que est\u00e1 tan caliente que los electrones se desprenden de los \u00e1tomos formando un gas ionizado. A diferencia de los gases, los plasmas son conductores de electricidad, producen campos magn\u00e9ticos y corrientes el\u00e9ctricas y responden fuertemente a las fuerzas electromagn\u00e9ticas.<\/p>\n

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Tormenta el\u00e9ctrica<\/a>. File:Lightning3.jpg<\/a>, Una l\u00e1mpara de plasma<\/a>.\u00a0 File:Plasma-lamp_2.jpg<\/a>, Las luces de ne\u00f3n<\/a> generan luz gracias al ne\u00f3n en estado de plasma que hay en su interior. File:NeTube.jpg<\/a><\/p>\n

Aunque el plasma suele ser un estado natural bastante poco com\u00fan en la Tierra, es el estado de la materia m\u00e1s com\u00fan del universo visible. En el cielo nocturno, el plasma brilla en forma de estrellas, nebulosas y luces polares. Esa rama de rel\u00e1mpago que rasga el cielo es plasma, tambi\u00e9n lo son los letreros de ne\u00f3n. Lo m\u00e1s importante es que nuestro sol, que por supuesto es una estrella y hace posible la vida en la tierra, est\u00e1 hecho de plasma. Adem\u00e1s, el plasma se utiliza en luces de ne\u00f3n, bombillas fluorescentes y televisores de plasma.<\/p>\n

Debido a que gran parte del universo est\u00e1 hecho de plasma, su comportamiento y propiedades son de gran inter\u00e9s para los cient\u00edficos de muchas disciplinas. Es importante destacar que a las temperaturas requeridas para obtener energ\u00eda de forma pr\u00e1ctica a trav\u00e9s de la fusi\u00f3n nuclear, toda la materia est\u00e1 en forma de plasma. As\u00ed se han utilizado las propiedades del plasma como gas cargado para confinarlo mediante campos magn\u00e9ticos y calentarlo a temperaturas m\u00e1s altas que el n\u00facleo del sol. Otros investigadores buscan plasmas para fabricar chips de computadora, propulsi\u00f3n de cohetes, limpiar el medio ambiente, destruir peligros biol\u00f3gicos, curar heridas y otras aplicaciones interesantes.<\/p>\n

Por supuesto, agregando energ\u00eda a un sistema o cambiando su volumen o presi\u00f3n, podemos transformar un estado de la materia en otro. Si calentamos un s\u00f3lido, por ejemplo nieve, puede derretirse en su forma l\u00edquida: agua. Si a\u00f1adimos m\u00e1s energ\u00eda al hervir el agua, el agua se evaporar\u00e1 en forma de gas.<\/p>\n

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https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Phase_transition#\/media\/File:Phase_change_-_en.svg<\/a><\/p>\n

Un \u00faltimo ejemplo son los cometas. Si un cometa que viaja a trav\u00e9s del espacio se acerca demasiado al sol, el hielo se calentar\u00e1 tanto que se sublima en un estado gaseoso que es visible como cola.<\/p>\n

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https:\/\/simple.wikipedia.org\/wiki\/Comet#\/media\/File:CometDiagram.png<\/a> Cola de gas (azul en el esquema) y cola de polvo (amarillo)<\/p>\n

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Cometa Hale-Bopp<\/a><\/p>\n

La mayor\u00eda de las descripciones tradicionales de los estados de la materia terminan en este punto, tras haber descrito los estados s\u00f3lido, l\u00edquido, gaseoso y el plasma. Pero en la actualidad conocemos muchos m\u00e1s estados de la materia, que pueden separarse en estados de baja temperatura y alta energ\u00eda.<\/p>\n

A continuaci\u00f3n, quiero centrarme en el estado de baja temperatura llamado condensado de Bose-Einstein. Primero, es importante saber que podemos clasificar las part\u00edculas compuestas a trav\u00e9s de su momento angular intr\u00ednseco, tambi\u00e9n llamado esp\u00edn.<\/p>\n

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Representaci\u00f3n del esp\u00edn electr\u00f3nico, donde se aprecia que la magnitud total del esp\u00edn es muy diferente a su proyecci\u00f3n sobre el eje z. La proyecci\u00f3n sobre los ejes \u00abx\u00bb e \u00aby\u00bb est\u00e1 indeterminada; una imagen cl\u00e1sica <\/a>que resulta evocadora es la precesi\u00f3n<\/a> de un trompo<\/a>. https:\/\/es.wikipedia.org\/wiki\/Esp%C3%ADn<\/a><\/p>\n

Llamamos fermiones a las part\u00edculas compuestas cuyo esp\u00edn toma como valor m\u00faltiplos semienteros de la constante Planck \u2018h barra\u2019, por ejemplo, \u00b1\u00bd, \u00b13\/2, etc. Y denominamos bosones a aquellas part\u00edculas cuyo esp\u00edn vale m\u00faltiplos enteros de la constante de Planck como 0, \u00b11, \u00b12.<\/p>\n

Los electrones, que son part\u00edculas fundamentales de esp\u00edn \u00b1 \u00bd, son fermiones. Un ejemplo de bos\u00f3n es el fot\u00f3n que tiene spin igual a \u00b11.<\/p>\n

\u00a0Hay una diferencia muy importante entre fermiones y bosones: los fermiones obedecen al llamado Principio de Exclusi\u00f3n de Pauli; los bosones no.<\/p>\n

\"ComparisonCredit: L. Sonderhouse et al., Nat. Phys., 2020, doi:10.1038\/s41567-020-0986-6<\/a><\/p>\n

Seg\u00fan el principio de exclusi\u00f3n de Pauli, no hay dos fermiones que puedan ocupar exactamente el mismo estado cu\u00e1ntico. Si agregamos electrones a un n\u00facleo at\u00f3mico completamente ionizado, el primer electr\u00f3n pasar\u00e1 a la configuraci\u00f3n de menor energ\u00eda posible: el estado fundamental. Si se agrega un segundo electr\u00f3n, encontrar\u00e1 que el estado fundamental ya est\u00e1 ocupado. Para minimizar la energ\u00eda de su configuraci\u00f3n, cae al mismo estado, pero con su giro tomando el valor opuesto al del primer electr\u00f3n. Cualquier electr\u00f3n adicional necesita ir a estados de energ\u00eda cada vez m\u00e1s altos.<\/p>\n

Sin embargo, esto no es cierto para los bosones. Puede poner tantos bosones en la configuraci\u00f3n del estado fundamental como desee. Al enfriar un sistema de bosones y restringirlos a la misma ubicaci\u00f3n, puede colocar tantos bosones en el estado de energ\u00eda m\u00e1s baja como desee y cuando todos est\u00e1n en el mismo estado cu\u00e1ntico de energ\u00eda m\u00e1s baja, llamamos a este estado condensado de\u00a0 Bose-Einstein.<\/p>\n

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https:\/\/commons.wikimedia.org\/w\/index.php?curid=403804<\/a><\/p>\n

El condensado de Bose-Einstein fue propuesto y descrito en la d\u00e9cada de 1920 por Albert Einstein y Satyendra Nath Bose. Debido a las limitaciones de la tecnolog\u00eda, este estado de la materia sigui\u00f3 siendo te\u00f3rico hasta que un equipo de cient\u00edficos, 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 l\u00e1ser en el rango de rayos X y UV para aplicaciones de alta precisi\u00f3n, por ejemplo, en tecnolog\u00eda inform\u00e1tica donde se utiliza luz l\u00e1ser para grabar circuitos en chips de computadora.<\/p>\n

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\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0Expulsi\u00f3n del campo magn\u00e9tico. File:EXPULSION.png<\/a><\/p>\n

File:Meissner_effect_p1390048.jpg<\/a><\/p>\n

Un im\u00e1n que levita sobre un superconductor de alta temperatura, enfriado con nitr\u00f3geno l\u00edquido. La corriente el\u00e9ctrica persistente fluye sobre la superficie del superconductor y act\u00faa para excluir el campo magn\u00e9tico del im\u00e1n (ley de inducci\u00f3n de Faraday). Esta corriente forma efectivamente un electroim\u00e1n que repele el im\u00e1n.<\/p>\n

An\u00e1logamente, podr\u00edamos 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 el\u00e9ctrica en absoluto y los campos magn\u00e9ticos son expulsados del material. Los metales son buenos conductores el\u00e9ctricos pero aun as\u00ed tienen cierta resistencia el\u00e9ctrica. Debido a la resistencia se pierde algo de energ\u00eda en forma de calor cuando los electrones se mueven a trav\u00e9s del material. En los materiales superconductores esta resistencia el\u00e9ctrica cae a cero si enfriamos el material por debajo de una cierta temperatura, su temperatura cr\u00edtica, y por tanto conducen la corriente continua (CC) sin p\u00e9rdida de energ\u00eda. Los estados superconductores de la materia se utilizan, por ejemplo, en dispositivos m\u00e9dicos como los que obtienen im\u00e1genes por resonancia magn\u00e9tica o en aceleradores de part\u00edculas.<\/p>\n

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 l\u00edquido normal, fluye sin fricci\u00f3n por ninguna superficie, lo que le permite seguir circulando sobre las obstrucciones y por los poros de los recipientes que la contienen, sujeta s\u00f3lo a su propia inercia.<\/p>\n

Otros estados incluyen el estado Hall de giro cu\u00e1ntico en semiconductores bidimensionales especiales, l\u00edquidos de giro cu\u00e1ntico en ciertos materiales magn\u00e9ticos, el l\u00edquido String-net, el Dropleton, los cristales de tiempo y el polar\u00f3n de Rydberg.<\/p>\n

\"Imagen\"<\/p>\n

https:\/\/fisicamoderna2mynor.weebly.com\/aporte-2.html<\/p>\n

Un ejemplo de un estado de alta energ\u00eda es el plasma de quarks y gluones o la sopa de quarks que existe a temperaturas y\/o densidades extremadamente altas. Los quarks son part\u00edculas fundamentales de materia. El n\u00facleo de los \u00e1tomos est\u00e1 formado por protones y neutrones que, a su vez, est\u00e1n formados por 3 quarks. Un glu\u00f3n es una part\u00edcula elemental que media la fuerza fuerte entre quarks, de manera similar al fot\u00f3n que media la fuerza el\u00e9ctrica entre part\u00edculas cargadas.<\/p>\n

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https:\/\/news.mit.edu\/2010\/exp-quark-gluon-0609<\/a><\/p>\n

El plasma de quarks y gluones consta de quarks y gluones libres de la\u00a0 interacci\u00f3n fuerte que normalmente los confina, por ejemplo, en el interior de los protones y neutrones que forman los n\u00facleos at\u00f3micos. Esta situaci\u00f3n es similar al plasma convencional del que hablamos al principio del v\u00eddeo. En el plasma convencional, los n\u00facleos y los electrones, generalmente confinados dentro de los \u00e1tomos por fuerzas electrost\u00e1ticas, 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 pr\u00f3xima a la de la luz. Tambi\u00e9n se cree que el universo temprano despu\u00e9s del Big Bang estaba en el estado de plasma de quark-gluones antes de enfriarse. El plasma quarks y gluones podr\u00eda ser el l\u00edquido m\u00e1s perfecto que conocemos: casi no tiene resistencia a la fricci\u00f3n y viscosidad. La viscosidad mide el \u00abespesor\u00bb: por ejemplo, el jarabe tiene una viscosidad m\u00e1s alta que el agua.<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

El modelo interno de una estrella de neutrones.<\/p>\n

File:Neutron_star_cross_section-es.svg<\/a><\/p>\n

Otro estado interesante de alta energ\u00eda es la materia degenerada que se puede encontrar a una alt\u00edsima presi\u00f3n que est\u00e1 solo compensada por el principio de exclusi\u00f3n 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 presi\u00f3n gravitacional comprime los \u00e1tomos con tanta fuerza que los electrones se ven obligados a combinarse con los protones. El estado resultante es tan denso que una cucharada pesa m\u00e1s de 900 mil millones de kg o lo mismo que el peso del Monte Everest.<\/p>\n

Otros estados fascinantes incluyen materiales de fermiones pesados, el fluido supercr\u00edtico: un estado a temperaturas y presiones suficientemente altas donde desaparece la distinci\u00f3n entre l\u00edquido y gas.<\/p>\n

Finalmente, un \u00faltimo ejemplo es el condensado de vidrio de color, un tipo de materia que seg\u00fan la teor\u00eda existe en n\u00facleos at\u00f3micos que viajan cerca de la velocidad de la luz.<\/p>\n

Como puede ver, existen muchos estados de la materia, muchos de los cuales tienen aplicaciones pr\u00e1cticas en nuestra vida diaria. Lo m\u00e1s interesante es que solo recientemente se ha vuelto tecnol\u00f3gicamente posible explorar estados m\u00e1s extremos en la f\u00edsica cu\u00e1ntica. <\/strong><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Por Sebastian Grieninger\u00a0(Investigador Postdoctoral en el IFT UAM-CSIC) Cuando se le pregunta sobre los estados de la materia, la mayor\u00eda de la gente tiene la impresi\u00f3n de que solo hay tres estados de la materia: s\u00f3lido, l\u00edquido 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 m\u00e1s estados de la materia; tantos que no podremos describirlos todos en esta entrada de nuestro blog. En f\u00edsica, hablamos de un estado de la materia como una de las distintas formas en las que esta puede\u2026<\/p>\n","protected":false},"author":201,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"ngg_post_thumbnail":0},"categories":[7197],"tags":[],"blocksy_meta":{"styles_descriptor":{"styles":{"desktop":"","tablet":"","mobile":""},"google_fonts":[],"version":4}},"aioseo_notices":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1057"}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/users\/201"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1057"}],"version-history":[{"count":6,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1057\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":1061,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1057\/revisions\/1061"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1057"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1057"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1057"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}