Observan por vez primera vez a escala nanométrica cómo los vidrios se transforman en líquidos al subir la temperatura

Los vidrios son materiales sólidos con una estructura tan desordenada que podrían considerarse como líquidos de una viscosidad extraordinariamente elevada. Los encontramos en las ventanas y vidrieras, en las pantallas de televisión y en los dispositivos móviles, en la fibra óptica, en materiales industriales plásticos, y también en el estado que presentan proteínas, estructuras celulares y tejidos vivos cuando se congelan para criopreservarlos.

Pese a ser tan habituales, es muy difícil desarrollar teorías y modelos que puedan explicar su comportamiento en detalle. Los mecanismos por los que un líquido se enfría y se transforma en un vidrio, y a la inversa, cómo un vidrio se transforma en líquido al calentarse, la llamada transición vítrea, todavía no acaban de entenderse. Los físicos todavía no saben a ciencia cierta si se trata de una transición de fase y se puede considerar el vidrio como un estado termodinámico diferente de los estados líquido y sólido, o si, por el contrario, el vidrio es simplemente un líquido subenfriado —enfriado por debajo de la temperatura de congelación pero manteniendo propiedades de líquido— cuyos átomos o moléculas tienen muy poca movilidad. Una de las mayores dificultades para entender este proceso está en los desafíos que aparecen para poder visualizarlo a través del microscopio con suficiente resolución, ya que las estructuras del líquido subenfriado y del vidrio son prácticamente indistinguibles.

Un equipo, integrado, entre otros, por Marta Ruiz-Ruiz, de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB), y Jorge Alcalá, de la Universidad Politécnica de Cataluña – BarcelonaTech (UPC) ha presentado una nueva metodología que permite observar directamente al microscopio qué sucede en un cristal cuando se calienta por encima de la temperatura de la transición vítrea, el llamado proceso de relajación que lo transforma en un líquido.

El equipo de investigación que ha llevado a cabo el trabajo ha sido liderado desde la UAB y el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2), con participación también del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), en España.

Imagen de la corrugación superficial provocada por el proceso de transición vítrea, obtenida mediante microscopia de fuerza atómica. (Foto: UPC / UAB)

Los investigadores han trabajado con cristales orgánicos ultraestables, que se preparan mediante evaporación térmica. Son más densos y exhiben una mayor estabilidad cinética y termodinámica que los cristales convencionales obtenidos directamente a partir de líquidos.

A diferencia de los cristales convencionales que, tal y como se ha visto hasta ahora, se transforman hacia el estado líquido de forma global, sin distinciones claras entre diferentes regiones del material, estos cristales ultraestables hacen la transición hacia un estado líquido de una forma similar a como lo hacen los sólidos cristalinos cuando pasan al estado líquido, con la formación de zonas en fase líquida que van creciendo progresivamente. Se trata de un proceso que ya se ha descrito de forma indirecta mediante mediciones de nanocalorimetría y que se ha observado solo en modelos computacionales.

El nuevo método desarrollado para poder observar esta transición consiste en insertar el vidrio ultraestable a modo de “sándwich” entre dos capas de vidrio con una temperatura de transición más elevada. Cuando la capa de vidrio ultraestable se calienta por encima de su temperatura de transición, las inestabilidades que se producen en la superficie se trasladan a las capas exteriores del “sándwich” y pueden ser observadas directamente mediante un microscopio de fuerza atómica.

El trabajo permite seguir en tiempo real la desvitrificación del vidrio. Permite cuantificar la dinámica del proceso de relajación en los cristales ultraestables hacia un líquido mediante la medida directa de las distancias existentes entre los dominios líquidos que van apareciendo, mientras se observa la deformación de la superficie y su evolución en el largo del tiempo. De esta forma se ha podido confirmar cómo estas distancias entre zonas líquidas son extraordinariamente grandes en este tipo de vidrio, y la correlación de estas distancias con las escaleras de tiempo del material, tal y como habían predicho los modelos computacionales.

El estudio se titula «Real-time microscopy of the relaxation of a glass». Y se ha publicado en la revista académica Nature Physics. (Fuente: UPC)