El vidrio puede parecer un material simple con el que nos topamos todos los días, pero la física de su interior es bastante compleja y los científicos aún no la comprenden del todo. Algunos paneles de vidrio, como las vidrieras de muchos edificios medievales, permanecen rígidos durante siglos, ya que sus moléculas constituyentes están congeladas para siempre en un estado de desorden. De manera similar, los líquidos sobreenfriados no son del todo sólidos, en el sentido de que sus partículas elementales no están encerradas en un patrón reticular con un orden de largo alcance, pero tampoco son líquidos ordinarios, ya que las partículas también carecen de energía para moverse libremente. Se necesitan más investigaciones para revelar la física de estos sistemas complejos.
En un estudio publicado esta vez, el Dr. Materiales de la naturalezaInvestigadores del Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio utilizaron simulaciones informáticas avanzadas para modelar el comportamiento de partículas elementales en un líquido vítreo sobreenfriado. Su enfoque se basó en el concepto de energía de activación de Arrhenius, que es la barrera energética que un proceso debe superar para continuar. Un ejemplo es la energía necesaria para reorganizar partículas individuales en un material desordenado. El “comportamiento de Arrhenius” significa que un proceso debe depender de fluctuaciones térmicas aleatorias y que la velocidad disminuye rápidamente a medida que la barrera de energía se hace más grande. Sin embargo, las condiciones que requieren una reordenación cooperativa de partículas pueden ser más raras, especialmente a bajas temperaturas. A veces se les llama relaciones súper-Arrhenius.
La nueva investigación fue la primera en demostrar la relación entre el orden estructural y el comportamiento dinámico de los fluidos a nivel microscópico. “Utilizando análisis numérico dentro de un modelo informático de fluidos formadores de vidrio, hemos demostrado cómo la reordenación de partículas fundamentales puede afectar el orden estructural y el comportamiento dinámico”, dijo Seiichiro Ishino, autor principal del estudio. El equipo demostró que un mecanismo al que denominan “T1”, que mantiene el orden formado en el fluido, es clave para comprender la dinámica cooperativa. Si un proceso T1 altera la disposición estructural local, debe implicar un movimiento independiente de las partículas, lo que da como resultado un comportamiento típico similar al de Arrhenius. Por el contrario, si el reordenamiento T1 mantiene el orden local de manera cooperativa, sus efectos se propagan hacia afuera, lo que lleva a un comportamiento súper-Arrhenius.
“Nuestra investigación nos proporciona una nueva perspectiva microscópica sobre la fuente tan buscada de cooperación dinámica en los materiales que forman el vidrio. Esperamos que estos hallazgos contribuyan a un mejor control de la dinámica de los materiales, lo que conducirá a un diseño de materiales más eficiente y a mejores procesos de fabricación de vidrio. “, dijo el autor principal Hajime Tanaka. Esto podría incluir vidrio más resistente y duradero para teléfonos inteligentes y otras aplicaciones.