Treinta páginas de cálculos en papel han servido para zanjar un debate de décadas, sobre si una misteriosa nueva fase de la materia puede producirse en materiales de vidrio igual que en el cristal.

La naturaleza altamente ordenada de los cristales los hace bastante sencillos de entender matemáticamente y los físicos han desarrollado teorías que definen todo tipo de propiedades cristalinas, desde cómo absorben el calor hasta lo que sucede cuando se rompen.

Pero no se puede decir lo mismo de los materiales vidriosos, amorfos o desordenados, como el vidrio de nuestras ventanas y jarrones, alimentos congelados y ciertos plásticos. No hay teorías ampliamente acordadas para explicar su comportamiento físico.

Durante casi 30 años, los físicos han debatido si una misteriosa transición de fase, presente en modelos teóricos de materiales desordenados, también podría existir en el vidrio. Con la ayuda de alguna magia matemática tomada de la física de partículas -docenas de páginas de cálculos algebraicos, todo hecho a mano-, el científico de la Universidad de Duke Sho Yaida ha respondido al misterio.

Los conocimientos de Yaida abren la posibilidad de que algunos tipos de vidrio puedan existir en un nuevo estado de materia a bajas temperaturas, influyendo en cómo responden al calor, el sonido y el estrés, y cómo y cuándo se rompen.

“Encontramos indicios de la transición que no nos atrevíamos a decir que eran evidencia de la transición porque parte de la comunidad científico dijo que no podría existir”, dijo en un comunicado Patrick Charbonneau, profesor asociado de Química en Duke. “Lo que Sho muestra es que puede existir.”

Al parecer alucinante como puede parecer, dijo Charbonneau, la matemática detrás del vidrio y otros sistemas desordenados es en realidad mucho más fácil de resolver asumiendo que estos materiales existen en un hipotético universo de dimensiones infinitas. En dimensiones infinitas, sus propiedades pueden ser calculadas con relativa facilidad, de forma similar a cómo se pueden calcular las propiedades de los cristales para nuestro universo tridimensional.

“La pregunta es si este modelo tiene alguna relevancia para el mundo real.” Charbonneau dijo. Para los investigadores que llevaron a cabo estos cálculos, “el juego era que, a medida que cambia la dimensión, las cosas cambian lo suficientemente lento como para ver cómo se mueven a medida que pasan de un número infinito de dimensiones a tres”, dijo.

Una característica de estos cálculos dimensionales infinitos es la existencia de una transición de fase -la llamada “transición de Gardner”- que, si está presente en cristales, podría cambiar significativamente sus propiedades a bajas temperaturas.

¿Pero esta transición de fase, claramente presente en dimensiones infinitas, también existe en tres? En la década de 1980, un equipo de físicos produjo cálculos matemáticos que demostraban que no, no podía. Durante tres décadas, el punto de vista predominante permaneció que esta transición, aunque teóricamente interesante, era irrelevante para el mundo real.

Así fue hasta que recientes experimentos y simulaciones de Charbonneau y otros comenzaron a mostrar indicios de ello en vidrios tridimensionales.

“El nuevo impulso para ver esto es que, al atacar el problema de la formación de vidrio, encontraron una transición muy parecida a la que apareció en estos estudios”, dijo Charbonneau. “Y en este contexto puede tener importantes aplicaciones en materiales”.

Yaida, que tiene formación en física de partículas, echó un vistazo a las antiguas pruebas matemáticas. Estos cálculos no habían logrado encontrar un “punto fijo” en tres dimensiones, un requisito previo para la existencia de una transición de fase. Pero si llevaba el cálculo un paso más allá, pensó, la respuesta podría cambiar.

Un mes y 30 páginas de cálculos más tarde, él lo tenía.

“Momentos como estos son la razón por la que hago ciencia”, dijo Yaida. “Es sólo un punto, pero significa mucho para la gente en este campo, y muestra que esta cosa exótica que la gente encontró en los años setenta y ochenta tiene una relevancia física para este mundo tridimensional”.

Después de un año de revisiones, además de otras 60 páginas de cálculos de apoyo, los resultados fueron publicados el 26 de mayo en Physical Review Letters.

“El hecho de que esta transición pueda realmente existir en tres dimensiones significa que podemos empezar a buscarla en serio”, dijo Charbonneau. “Afecta a cómo se propaga el sonido, cuánto calor puede ser absorbido, el transporte de información a través de él, y si comienza a cortar el vidrio, cómo va a ceder, cómo se romperá”.

Fuente: Europa Press