Físicos crean el primer modelo informático de vidrio ideal

Viernes 06 - 08:50

Un grupo de físicos de la Universidad de Oregon desarrolló el primer modelo informático de “vidrio ideal”, un material teórico en el que las moléculas se organizan con la máxima estabilidad y densidad posibles sin perder la estructura desordenada característica del vidrio. El estudio fue publicado en Physical Review Letters y resuelve un problema científico planteado hace casi ocho décadas.

El equipo, dirigido por el físico Eric Corwin, abordó una hipótesis formulada en 1948 por el químico de Princeton Walter Kauzmann. El investigador propuso que, si el vidrio se enfriara hasta temperaturas extremadamente bajas, podría alcanzar un estado ideal en el que las moléculas permanecerían distribuidas de forma aleatoria pero empaquetadas con una eficiencia comparable a la de un cristal.

Hasta ahora ese estado nunca se había observado ni reproducido mediante simulaciones convencionales. En lugar de intentar replicar el proceso de enfriamiento, los científicos decidieron construir directamente la estructura molecular mediante cálculos computacionales realizados en el sistema de supercomputación de la Universidad de Oregon.

Corwin explicó que el objetivo era generar desde el inicio la configuración molecular más estable posible, evitando las limitaciones de las simulaciones basadas en el enfriamiento gradual.

El modelo se basó inicialmente en configuraciones bidimensionales de moléculas con forma de disco. Los investigadores tomaron como referencia la geometría tipo panal presente en los cristales, donde cada disco entra en contacto con seis vecinos. A partir de esta base desarrollaron un método que conserva la alta densidad de empaquetamiento pero elimina el orden cristalino repetitivo, creando así una estructura completamente amorfa.

A pesar de la ausencia de orden periódico, la estructura obtenida mostró un comportamiento mecánico equivalente al de un cristal.

Las simulaciones también revelaron propiedades previstas para el vidrio ideal, como módulos elevados de compresibilidad y de cizallamiento, densidad extremadamente alta y entropía configuracional nula. Además, el modelo evitó las vibraciones de baja frecuencia habituales en materiales amorfos y presentó una característica conocida como hiperuniformidad, en la que las fluctuaciones estructurales permanecen muy limitadas incluso a gran escala.

Los investigadores consideran que el hallazgo podría tener aplicaciones importantes en la ciencia de materiales, especialmente en el desarrollo de vidrios metálicos. Estos materiales poseen estructuras atómicas desordenadas que les otorgan gran resistencia, pero su producción es complicada porque requiere enfriamiento extremadamente rápido.

Comprender mejor el estado de vidrio ideal podría permitir diseñar aleaciones que formen estructuras vítreas con mayor facilidad. Esto abriría la posibilidad de fabricar piezas complejas mediante procesos de moldeo en lugar de mecanizado.

Según Corwin, si se logra reproducir experimentalmente este tipo de materiales, podrían fabricarse componentes industriales complejos directamente en moldes, como motores de automóvil o partes de aeronaves.

El equipo planea continuar la investigación extendiendo el modelo a sistemas tridimensionales. Sin embargo, los métodos utilizados en el estudio actual todavía no pueden aplicarse directamente a estructuras en tres dimensiones, por lo que será necesario desarrollar nuevas herramientas teóricas.