Los físicos de los Estados Unidos han adquirido nuevos conocimientos sobre uno de los fenómenos básicos de la física: el derretimiento de un sólido. Arjun Yodh y sus colegas de la Universidad de Pensilvania y el Swarthmore College han demostrado que la fusión comienza en los defectos antes de extenderse a todo el cristal (Sciencexpress 11123991). El trabajo ayudará a llenar los vacíos en nuestro conocimiento del proceso de fusión.
Es difícil estudiar lo que sucede cuando un sólido se derrite porque los átomos individuales son demasiado pequeños para ver y porque la acción tiene lugar dentro del sólido. Sin embargo, Yodh y sus colegas han superado estos problemas mediante el uso de grandes esferas coloidales sensibles a la temperatura, que miden casi una micra de ancho, para representar los átomos en un cristal. Cuando la densidad de las esferas suspendidas en una solución es lo suficientemente alta, forman un sólido cristalino compacto. Sin embargo, cuando la densidad se reduce, este cristal se «derrite».
Yodh y sus colegas utilizaron esferas que cambian de tamaño cuando se calientan, lo que a su vez cambia el volumen que ocupan en la suspensión. Calentar las esferas en realidad las hace más pequeñas, lo que disminuye su volumen total dentro del cristal y, en última instancia, hace que el cristal se derrita. La fusión ocurre cuando las esferas ocupan aproximadamente el 55% del volumen de cristal disponible. Cuando las esferas se enfrían, se hacen más grandes, lo que conduce a la cristalización del líquido coloidal.
«Las esferas se comportan como enormes versiones de átomos para el propósito de nuestro experimento», dice el miembro del equipo Ahmed Alsayed. Además, se puede utilizar un microscopio óptico para seguir los movimientos de las partículas individuales durante el proceso de fusión.
El experimento muestra que la fusión comienza en defectos, como grietas, límites de grano y dislocaciones, que están presentes en el conjunto de átomos en el cristal. Además, el seguimiento de partículas revela un mayor trastorno en las regiones cristalinas que bordean estos defectos, con la cantidad de trastorno dependiendo del tipo de defecto.
De acuerdo con el equipo de Pennsylvania-Swarthmore, la existencia de esta «premeltación» dentro del sólido implica que una pequeña fracción de líquido existe dentro del cristal antes de que se alcance realmente la temperatura de fusión a granel. Esto sugiere que los sólidos que contienen muchos defectos podrían derretirse más fácilmente.
» Nuestros resultados mejoran nuestra comprensión de la fusión y permiten predicciones más cuantitativas de cómo una sustancia podría derretirse», dijo Yodh a PhysicsWeb. «El novedoso sistema de partículas que desarrollamos también se podría utilizar para estudiar la evolución de defectos y regiones premoldeadas bajo estrés mecánico, así como para la observación controlada de enfriamiento, recocido, cristalización y la temperatura de transición vítrea en sólidos.»