El hielo no siempre es hielo hasta el final. Incluso a temperaturas muy por debajo del punto de congelación, su superficie se puede recubrir con una película de átomos casi líquidos, generalmente de unos pocos nanómetros de espesor.
El proceso de su formación se conoce como prefusión (o ‘fusión superficial’), razón por la cual los cubitos de hielo pueden pegarse incluso en el congelador.
Además del hielo, observamos una capa superficial prefundida en una amplia variedad de materiales con estructuras cristalinas, donde los átomos en su interior están dispuestos en una red ordenada, como diamantes, cuarzo y sal de mesa.
Ahora, por primera vez, los científicos han observado el derretimiento superficial de una sustancia que está hecha jirones en su interior: el vidrio.
El vidrio y el hielo pueden parecer muy similares, pero a menudo son muy diferentes en la escala atómica. Donde el hielo cristalino es agradable y ordenado, el vidrio es lo que llamamos sólido amorfo: No tiene una estructura atómica real de la que hablar. En cambio, sus átomos están agrupados, más como lo que esperarías ver en un líquido.
Esto, como era de esperar, hace que sea mucho más difícil identificar una película prefundida casi líquida en la superficie del vidrio.
La detección de esta capa líquida peluda generalmente se realiza mediante experimentos que involucran dispersión de neutrones o rayos X, que son sensibles al orden atómico.
Se requiere hielo sólido; la superficie de fusión es menor. En el vidrio, todo es un desastre, por lo que la dispersión no sería una herramienta particularmente útil.
Los físicos Clemens Bechinger y Li Tian de la Universidad de Konstanz en Alemania adoptaron un enfoque diferente. En lugar de probar una pieza de vidrio atómico, crearon algo llamado vidrio coloidal: una suspensión de esferas de vidrio microscópicas suspendidas en un líquido que se comporta como los átomos del vidrio atómico.
Como las esferas son 10.000 veces más grandes que los átomos, su comportamiento se puede ver directamente bajo un microscopio y, por lo tanto, se puede estudiar con más detalle.
Usando microscopía y dispersión, Bechinger y Tian examinaron de cerca su vidrio coloidal e identificaron signos de fusión superficial; es decir, las partículas en la superficie se movían más rápido que las partículas en el vidrio a granel debajo de él.
Esto no fue inesperado. La densidad del vidrio a granel es más alta que la densidad de la superficie, lo que significa que las partículas de la superficie literalmente tienen más espacio para moverse. Sin embargo, en una capa debajo de la superficie, de hasta 30 diámetros de partículas de espesor, las partículas continúan moviéndose más rápido que el vidrio a granel, incluso cuando alcanzan densidades de vidrio a granel.
«Nuestros resultados demuestran que la fusión de la superficie de los vidrios es cualitativamente diferente en comparación con los cristales y conduce a la formación de una capa vítrea en la superficie». escriben los investigadores en su artículo🇧🇷
«Esta capa contiene aglomerados cooperativos de partículas altamente móviles que se forman en la superficie y que proliferan profundamente en el material en varias docenas de diámetros de partículas y mucho más allá de la región donde la densidad de partículas se satura».
A medida que la fusión de la superficie cambia las propiedades de la superficie de un material, los resultados ofrecen una mejor comprensión del vidrio, que es extremadamente útil en una variedad de aplicaciones, pero también bastante extraño.
Por ejemplo, la alta movilidad de la superficie puede explicar por qué las películas poliméricas delgadas y las películas vítreas metálicas tienen una conductividad iónica alta en comparación con las películas gruesas. Ya estamos aplicando esta propiedad en baterías, donde estas películas actúan como conductores iónicos.
Una comprensión más profunda de esta propiedad, qué la causa y cómo se puede inducir ayudará a los científicos a encontrar formas optimizadas e incluso nuevas de usarla.
La investigación del equipo fue publicada en Comunicaciones de la naturaleza🇧🇷
