10 estados inusuales de la materia

La mayoría de las personas pueden nombrar fácilmente los tres estados de materia clásica: líquido, sólido y gas. Aquellos que tomaron algunos cursos más de ciencia agregarán plasma a esa lista. Pero a lo largo de los años, los científicos han ampliado nuestra lista de posibles estados de la materia mucho más allá de los cuatro grandes. En el proceso, hemos aprendido mucho sobre el Big Bang, los sables de luz y el estado secreto de la materia que se esconde en el humilde pollo.

Sólidos 10Amorfos

Los sólidos amorfos son un subgrupo intrigante del estado sólido conocido. En un objeto sólido normal, las moléculas están altamente organizadas y no pueden moverse muy libremente. Esto le da a la materia sólida una alta viscosidad, que es una medida de la resistencia al flujo. Los líquidos, por otro lado, tienen una estructura molecular desorganizada, lo que les permite fluir unos sobre otros, salpicar y tomar la forma del recipiente en el que se encuentran. Un sólido amorfo existe a medio camino entre estos dos estados de la materia. En un proceso conocido como vitrificación, un líquido se enfría y su viscosidad aumenta hasta el punto de que ya no fluye como un líquido, pero sus moléculas permanecen desordenadas y no forman una estructura cristalizada como un sólido normal.

El ejemplo más común de un sólido amorfo es el vidrio. Durante miles de años, las personas han hecho vidrio utilizando sílice. Cuando los fabricantes de vidrio enfrían la sílice a partir de su estado líquido, en realidad no se solidifica cuando pasa por debajo del punto de fusión. A medida que la temperatura continúa disminuyendo, la viscosidad aumenta, haciéndola parecer sólida. Sin embargo, las moléculas aún mantienen su estructura desorganizada. En este punto, el vidrio se convierte en un sólido amorfo. Este proceso de transición ha permitido a los artesanos crear esculturas de vidrio hermosas y surrealistas.

Entonces, ¿cuál es la diferencia funcional entre un sólido amorfo y un sólido normal? En la vida cotidiana, no mucho. El vidrio parece completamente sólido hasta que lo miras a nivel molecular. Y no se deje engañar por el mito de que el vidrio fluye como líquido durante largos períodos. A los guías de turismo perezosos les gusta perpetuar este mito mostrando el vidrio viejo en las iglesias, que a menudo se ve más grueso hacia el fondo, pero en realidad eso se debe a las imperfecciones en el proceso de fabricación del vidrio que da como resultado un vidrio desigual, que se coloca naturalmente en la ventana con el lado más grueso. En el fondo. Sin embargo, aunque puede que no sea muy emocionante mirar, el estudio de los sólidos amorfos como el vidrio ha brindado a los investigadores nuevos conocimientos sobre las transiciones de fase y la estructura molecular.

9 fluidos supercriticos

La mayoría de las transiciones de fase ocurren bajo ciertos parámetros de temperatura y presión. Todo el mundo sabe que un aumento de temperatura eventualmente convertirá un líquido en un gas. Sin embargo, cuando la presión aumenta junto con la temperatura, el líquido en cambio hace el salto al reino de los fluidos supercríticos, que tienen las propiedades de un gas y un líquido.

Por ejemplo, los fluidos supercríticos son capaces de pasar a través de sólidos como un gas, pero también pueden actuar como un solvente como un líquido. Curiosamente, un fluido supercrítico puede ajustarse para que sea más parecido a un gas o más parecido a un líquido, dependiendo de la combinación de presión y temperatura. Esto ha permitido a los científicos crear una variedad de aplicaciones para fluidos supercríticos, que van desde lo extremo a lo mundano.

Si bien los fluidos supercríticos no son tan comunes como los sólidos amorfos, es probable que termine interactuando con ellos casi tan a menudo como interactúa con el vidrio. El dióxido de carbono supercrítico ha ganado el favor de las empresas cerveceras por su capacidad para actuar como solvente en la extracción del lúpulo, mientras que las compañías de café lo utilizan para producir mejor café descafeinado. Los fluidos supercríticos también se han utilizado para crear una hidrólisis más eficiente y para permitir que las centrales eléctricas funcionen a temperaturas más altas. Para un estado de la materia del que nadie ha oído hablar, probablemente use subproductos de fluidos supercríticos todos los días.

8Degenerar la materia

Mientras que los sólidos amorfos ocurren al menos en el planeta Tierra, la materia degenerada solo existe dentro de ciertos tipos de estrellas. La materia degenerada existe cuando la presión externa de la materia no está dictada por la temperatura, como en la Tierra, sino por principios cuánticos complejos, generalmente el principio de exclusión de Pauli (más sobre esto en un momento). Debido a esto, la presión exterior de la materia degenerada persistiría incluso si la temperatura de la materia bajara a cero absoluto. Los dos tipos principales de materia degenerada se conocen como materia degenerada por electrones y materia degenerada por neutrones.

La materia degenerada de electrones existe principalmente en estrellas enanas blancas. La materia se forma en el núcleo de la estrella, cuando el peso de la materia alrededor del núcleo intenta comprimir los electrones del núcleo en el estado de energía más bajo. Sin embargo, de acuerdo con el principio de exclusión de Pauli, no hay dos de estas partículas que puedan ocupar el mismo estado de energía. Por lo tanto, las partículas “empujan” nuevamente el material alrededor del núcleo, creando una presión hacia el exterior debido a las leyes cuánticas que dictan que todos los electrones en el núcleo no pueden existir en el estado de energía más bajo. Esto solo puede persistir si la masa de la estrella es inferior a 1,44 veces la masa de nuestro Sol. Cuando una estrella está por encima de este límite (conocido como el límite de Chandrasekhar) simplemente colapsará en una estrella de neutrones o un agujero negro.

Cuando una estrella colapsa para convertirse en una estrella de neutrones, ya no tiene materia degenerada en electrones, sino que ahora consiste en materia degenerada en neutrones. Debido a que una estrella de neutrones es tan pesada, hace que los electrones se fusionen con los protones en el núcleo, creando neutrones. Los neutrones libres (neutrones no unidos en un núcleo atómico) generalmente tienen una vida media de 10.3 minutos. Pero en el núcleo de una estrella de neutrones, la masa de la estrella permite que los neutrones existan fuera de un núcleo, formando materia degenerada de neutrones.

Podrían existir otras formas exóticas de materia degenerada, incluida la materia extraña, que podría existir en una forma rara de estrella llamada estrella quark. Las estrellas de quark son la etapa entre una estrella de neutrones y un agujero negro, donde los quarks en el núcleo se desacoplan y crean una sopa de quarks libres. Todavía no hemos observado este tipo de estrella, pero los físicos continúan teorizando su existencia.

7Superfluid

Volvamos a la Tierra para discutir superfluido. Un superfluido es un estado de la materia que existe cuando ciertos isótopos de helio, rubidio y litio se enfrían a casi cero absoluto. Esto es similar a un condensado de Bose-Einstein (BEC), pero hay pequeñas diferencias. Algunos condensados ​​de Bose-Einstein son superfluidos y algunos superfluidos son condensados ​​de Bose-Einstein, pero no todas las clases encajan entre sí.

El superfluido más común es el helio líquido. Cuando el helio se enfría hasta el "punto lambda" de 2.17 grados Kelvin, parte del líquido se convierte en un superfluido. Cuando la mayoría de las sustancias se enfrían hasta cierto punto, la atracción entre los átomos superará las vibraciones de calor en la sustancia, permitiendo que la sustancia forme una estructura sólida. Pero los átomos de helio interactúan entre sí de manera tan débil que pueden permanecer líquidos hasta el cero absoluto. De hecho, a esa temperatura, las características de los átomos individuales se superponen, creando las propiedades extrañas de los superfluidos.

Para empezar, un superfluido no tiene viscosidad interna. Los superfluidos colocados en un tubo de ensayo comenzarán a deslizarse por los lados del tubo, aparentemente violando las leyes de la gravedad y la tensión superficial. El helio líquido se escapa muy fácilmente porque puede filtrarse a través de cualquier agujero microscópico. Los superfluidos también exhiben extrañas propiedades termodinámicas. Tienen una entropía termodinámica cero y son infinitamente térmicamente conductores. Esto significa que dos superfluidos no pueden tener un diferencial térmico. Si se introduce calor en un superfluido, se conducirá tan rápidamente que se crean las ondas térmicas, una propiedad que no existe para los líquidos normales.

6Bose-Einstein Condensate

Los condensados ​​de Bose-Einstein son probablemente una de las formas oscuras más famosas de la materia, pero también una de las más difíciles de entender. Primero, tenemos que entender qué son los bosones y los fermiones. Un fermión es una partícula con un espín de medio entero (como un electrón) o una partícula compuesta (como un protón). Estas partículas obedecen al principio de exclusión de Pauli que hace que la materia degenerada por el electrón funcione. Un bosón, sin embargo, tiene un giro entero completo y múltiples bosones pueden ocupar el mismo estado cuántico. Los bosones incluyen cualquier partícula transportadora de fuerza (como los fotones), así como algunos átomos, incluido nuestro amigo helio-4 y otros gases. Los elementos en esta categoría son conocidos como átomos bosónicos.

En la década de 1920, Albert Einstein usó el trabajo del físico indio Satyendra Nath Bose para proponer una nueva forma de materia. La teoría original de Einstein era que si se enfriaban ciertos gases elementales a una fracción de kelvin por encima del cero absoluto, sus funciones de onda se unirían para crear un "superátomo". Dicha sustancia mostraría efectos cuánticos a nivel macroscópico. Pero no fue hasta la década de 1990 que la tecnología existía para enfriar suficientemente los elementos a la temperatura necesaria. En 1995, los investigadores Eric Cornell y Carl Wieman pudieron fusionar 2,000 átomos en un condensado de Bose-Einstein, que era lo suficientemente grande como para ser visto en un microscopio.

Los condensados ​​de Bose-Einstein están estrechamente relacionados con los superfluidos, pero tienen su propio conjunto único de propiedades. Lo más impactante es que un BEC puede reducir la velocidad de la luz desde su velocidad normal de 300,000 metros por segundo. En 1998, el investigador de Harvard, Lene Hau, logró reducir la velocidad de la luz a solo 60 kilómetros por hora (37 mph) disparando un láser a través de una muestra de BEC con forma de cigarro. En experimentos posteriores, el equipo de Hau pudo detener la luz completamente en un BEC apagando el láser a medida que pasaba por la muestra. Estos experimentos han abierto nuevos campos de comunicación basada en la luz y computación cuántica.

5Jahn-Teller Metals

Jahn-Teller Metals es el niño más nuevo en el bloque de estados de materia, y los investigadores solo los han creado con éxito por primera vez en 2015. Si el laboratorio lo confirma, el experimento puede cambiar el mundo tal como lo conocemos, ya que Jahn-Teller metales tienen propiedades tanto de un aislante como de un superconductor.

Investigadores liderados por el químico Kosmas Prassides experimentaron tomando moléculas de carbono 60 (conocidas coloquialmente como bolas de bucky) e insertando rubidio en la estructura, lo que obligó a las moléculas de carbono 60 a tomar una nueva forma. El metal lleva el nombre del efecto Jahn-Teller, que describe cómo la presión puede cambiar la forma geométrica de las moléculas en nuevas configuraciones electrónicas. En química, la presión no solo se logra al comprimir algo, sino que también se puede lograr agregando nuevos átomos o moléculas a una estructura preexistente, cambiando sus propiedades fundamentales.

Cuando el equipo de investigación de Prassides comenzó a insertar rubidio en las moléculas de carbono 60, las moléculas de carbono cambiaron de un aislante a un superconductor. Sin embargo, debido al efecto Jahn-Teller, las moléculas intentaron permanecer en su antigua configuración, lo que creó una sustancia que parece ser un aislante pero que tiene las propiedades eléctricas de un superconductor. La transición entre un aislante y un superconductor nunca se había visto hasta que tuvieron lugar estos experimentos.

Lo realmente emocionante de los metales Jahn-Teller es que se convierten en un superconductor a altas temperaturas (-135 grados Celsius, a diferencia de -243.2 grados Celsius). Esto los acerca a niveles manejables para la producción en masa y la experimentación.Si las afirmaciones son correctas, estamos mucho más cerca de los materiales de producción en masa que conducen la electricidad sin resistencia, sin producir calor, sonido o liberación de energía, revolucionando así la producción de energía y el transporte.

4fotónica fotográfica

Durante décadas, la sabiduría convencional detrás de los fotones era que eran partículas sin masa que no interactuaban entre sí. Sin embargo, en los últimos años, los investigadores del MIT y Harvard han descubierto nuevas formas de hacer que la luz parezca tener masa, e incluso han creado "moléculas de luz" que rebotan entre sí y se unen entre sí. Si eso suena aburrido, considera que es esencialmente el primer paso para crear un sable de luz.

La ciencia detrás de la materia fotónica es un poco compleja, pero quédate con ella. (Recuerda, sables de luz.) Los investigadores comenzaron a crear materia fotónica a través de experimentos con gas de rubidio sobreenfriado. Cuando un fotón se dispara a través del gas, se desvía e interactúa con las moléculas de rubidio, perdiendo energía y disminuyendo la velocidad. Finalmente, el fotón emerge de la nube de gas significativamente más lento pero con su identidad intacta.

Las cosas comienzan a ponerse raras cuando disparas dos fotones a través del gas, lo que causa un fenómeno conocido como el bloqueo de Rydberg. Cuando un átomo se excita con un fotón, los átomos cercanos no pueden excitarse en el mismo grado. Esencialmente, el átomo excitado se interpone en el camino de los fotones. Para que un átomo circundante sea excitado por el segundo fotón, el primer fotón debe moverse hacia adelante a través del gas. Los fotones generalmente no interactúan entre sí, pero cuando se enfrentan a un bloqueo de Rydberg, se empujan entre sí a través del gas, intercambian energía e interactúan entre sí en el camino. Desde una perspectiva externa, estos fotones parecen tener masa y actuar como una sola molécula, a pesar de que todavía no tienen masa. Cuando los fotones emergen del gas, parecen estar unidos, como en una molécula de luz que puede desviarse y moldearse.

Las aplicaciones prácticas de la materia fotónica están aún muy lejos, pero el investigador Mikhail Lukin ya tiene una lista completa de usos posibles, que van desde la informática hasta la creación de cristales 3D completamente fuera de la luz y, sí, la fabricación de sables de luz.

Hiperuniformidad desordenada 3D

Al tratar de decidir si una sustancia es un nuevo estado de la materia, los científicos observan la estructura de la sustancia, así como sus propiedades. En 2003, Salvatore Torquato y Frank H. Stillinger, de la Universidad de Princeton, propusieron un nuevo estado de la materia conocido como hiperuniformidad desordenada. Si bien esto puede parecer un oxímoron, la idea era que el nuevo tipo de materia parecería desordenada cuando se la ve de cerca, pero hiperuniforme y estructurada en un rango largo. Tal materia tendría las propiedades de un cristal y un líquido. Al principio, esto parecía ocurrir solo en los plasmas simples y en nuestro hidrógeno líquido, pero recientemente los investigadores han encontrado un ejemplo natural en el lugar más improbable: el ojo de un pollo.

Los pollos tienen cinco conos en sus ojos. Cuatro detectan color y uno detecta niveles de luz. Sin embargo, a diferencia del ojo humano o los ojos hexagonales de los insectos, estos conos parecen estar dispersos al azar sin ningún orden real. Esto ocurre porque los conos en el ojo de un pollo tienen una zona de exclusión alrededor de ellos que no permite que dos conos del mismo tipo se sientan uno al lado del otro. Debido a la zona de exclusión y la forma de los conos, son incapaces de formar una estructura cristalina ordenada (como las que encontramos en los sólidos), pero cuando todos los conos se ven como un todo, resulta que realmente tienen una Patrón, como se puede ver en estas fotos de Princeton. Por lo tanto, podemos describir los conos en el ojo de un pollo como un líquido cuando se ve de cerca y un sólido cuando se ve desde lejos. Esto es diferente a los sólidos amorfos mencionados anteriormente en que un material hiperuniforme actuará como un líquido, mientras que un sólido amorfo no lo hará.

Los científicos todavía están investigando este nuevo estado de la materia, que en realidad puede ser más común de lo que se pensaba originalmente. En este momento, los investigadores de Princeton están estudiando el uso de materiales hiperuniformes para crear estructuras de autoajuste y detectores de luz orientados a longitudes de onda muy específicas.

2String-Net Liquid

¿Qué estado de la materia es el vacío del espacio? La mayoría de la gente no ha pensado mucho en esa pregunta, pero en la última década, Xiao-Gang Wen, del MIT, y Michael Levin, de Harvard, propusieron un nuevo estado de materia que podría ser la clave para descubrir partículas fundamentales más allá del electrón.

El camino hacia el desarrollo del modelo líquido de malla-red comenzó a mediados de los años 90, cuando un equipo de científicos propuso lo que llamaron "cuasi partículas", que parecía ocurrir en un experimento donde los electrones pasaban entre dos semiconductores. Esto causó un gran revuelo, ya que las cuasi partículas actuaron como si tuvieran una carga fraccionaria, algo que la física en el momento consideraba imposible. El equipo tomó estos datos y propuso que el electrón no era una partícula fundamental del universo y que había más partículas fundamentales que aún no habíamos descubierto. Su trabajo les ganó el Premio Nobel, pero más tarde se descubrió que sus resultados fueron causados ​​por un error en el experimento. La idea de una "cuasi-partícula" desapareció.

Pero algunos investigadores no se dieron por vencidos por completo. Wen y Levin tomaron el trabajo sobre "cuasi partículas" y propusieron un nuevo estado de la materia conocido como red de cuerdas. Este estado de la materia tendría el entrelazamiento cuántico como su propiedad básica. Al igual que la hiperuniformidad desordenada, si miras de cerca una red de cuerdas, parecería tener un conjunto desordenado de electrones.Sin embargo, al observar toda la estructura, vería que estaba altamente ordenada debido a las propiedades de entrelazamiento cuántico de los electrones. Wen y Levin extendieron su trabajo para abarcar otras partículas y propiedades de enredo.

Cuando los modelos de computadora se ejecutaron en el nuevo estado de la materia, Wen y Levin descubrieron que el final de una red de cuerdas podría producir las diversas partículas subatómicas que hemos convertido en amor, incluida la legendaria "partícula de cuasi". Aún más impactante , descubrieron que cuando las redes de cuerdas vibraban, lo hacían de acuerdo con las ecuaciones de Maxwell, que gobiernan la luz. En sus artículos, Wen y Levin propusieron que el espacio está lleno de redes de partículas subatómicas enredadas y que los extremos de estas "cadenas" son las partículas subatómicas que vemos. También han propuesto que este líquido string-net es lo que hace que la luz exista. Si el vacío del espacio se llenara con líquido de malla-red, nos permitiría unificar materia y luz.

Todo esto puede parecer muy inverosímil, pero en 1972 (décadas antes de la propuesta de la red de cuerdas) los geólogos descubrieron un extraño mineral en Chile conocido como herbertsmithita. Dentro del mineral, los electrones forman estructuras triangulares, lo que parece contradecir lo que sabemos sobre cómo los electrones interactúan entre sí. Sin embargo, esta estructura triangular está predicha por el modelo string-net, y los investigadores han trabajado con herbertsmithite artificial para tratar de demostrar que el modelo es preciso. Desafortunadamente, el jurado aún no sabe si este estado teórico de la materia existe realmente.

1Quark-Gluon Plasma

Para nuestro último estado oscuro de la materia, echemos un vistazo al estado de la materia que todos comenzamos como: plasma de quark-gluón. De hecho, el universo primitivo era un estado de materia completamente diferente al de nuestros estados clásicos. Pero primero, un poco de historia.

Los quarks son las partículas elementales que encontramos dentro de los hadrones (como los protones y los neutrones). Los Hadrones están compuestos por tres quarks o un quark y un anti-quark. Los quarks tienen cargas fraccionarias y se mantienen unidos por gluones, que son la partícula de intercambio de la fuerza nuclear fuerte.

No vemos quarks libres en la naturaleza, pero justo después del Big Bang, los quarks y los gluones libres existieron durante un milisegundo. Durante este tiempo, la temperatura del universo era tan alta que los quarks y los gluones apenas interactuaban entre sí cuando se acercaban a la velocidad de la luz. Durante este período de tiempo, el universo estaba completamente compuesto por este plasma caliente de quark-gluon. Después de otra fracción de segundo, el universo se habría enfriado lo suficiente como para permitir que se formaran partículas pesadas, como los hadrones, y los quarks comenzaron a interactuar con los gluones y entre ellos. A partir de este momento, el universo tal como lo conocemos comenzó a formarse, con hadrones que se unen con electrones para crear átomos primitivos.

En la fase actual del universo, los científicos han tratado de recrear plasma de quark-gluón en grandes aceleradores de partículas. Durante estos experimentos, las partículas pesadas, como los hadrones, se golpean entre sí, creando temperaturas que permiten que los quarks se desacoplen por un breve período. De estos primeros experimentos, ya hemos aprendido sobre algunas de las propiedades del plasma de quark-gluón, que aparentemente no tenía fricción y estaba más cerca de un líquido que nuestra comprensión normal de los plasmas. A medida que los investigadores continúan experimentando con este exótico estado de la materia, aprenderemos más y más sobre cómo y por qué nuestro universo se formó de la manera en que lo hizo.