Desentrañando los secretos de los líquidos vítreos: los científicos proponen una nueva teoría

Mapa de relajación espacial en un modelo de fluidos 2D. Las áreas más brillantes indican lugares donde las moléculas se han movido significativamente durante un cierto período de tiempo, y en las áreas oscuras se ha producido poco movimiento. Esta imagen revela la naturaleza fractal del proceso de relajación, que está formado por fluctuaciones térmicas e interacciones elásticas. Crédito: Tahaei et al 2023, Revisión física

El vidrio es un material que parece simple por su transparencia y solidez, pero en realidad es muy complejo e interesante. Su transformación de líquido a vidrio, conocida como “transición vítrea”, se caracteriza por una importante desaceleración de su dinámica, lo que confiere al vidrio sus propiedades distintivas.

Esta transformación ha sido objeto de curiosidad científica durante muchos años. Un aspecto particularmente interesante de este proceso es el surgimiento de una “heterogeneidad dinámica”. A medida que el líquido se enfría y se acerca a la temperatura de transición vítrea, su dinámica se vuelve más interconectada y discontinua.

Nuevo marco teórico para la formación de vidrio.

En un nuevo estudio, los investigadores proponen un nuevo marco teórico para explicar estas variaciones dinámicas en los fluidos formadores de vidrio. La idea es que la relajación en estos fluidos se produce mediante reordenamientos locales, que se influyen entre sí mediante interacciones elásticas. Al investigar la interacción entre reordenamientos locales, interacciones elásticas y fluctuaciones térmicas, los investigadores han formulado una teoría integral de la dinámica colectiva de estos sistemas complejos.

Este estudio es una colaboración entre el profesor Mathieu Wiart de la EPFL y sus colegas del Instituto Max Planck de Dresde, la ENS, la Universidad de Grenoble Alpes y el Centro de Biología de Sistemas de Dresde. Ahora está publicado en Revisión física.

Teoría de la medición y sus implicaciones.

El equipo desarrolló una «teoría del calibre» que explica la correlación dinámica con el crecimiento de la longitud observado en los líquidos formadores de vidrio. Esta longitud de correlación está asociada con «colapsos térmicos», eventos raros desencadenados por fluctuaciones térmicas, que luego conducen a una ola posterior de dinámicas más rápidas.

El marco teórico del estudio también proporciona información sobre el colapso de Stoke-Einstein, un fenómeno en el que la viscosidad de un fluido se vuelve inseparable de la difusión de sus moléculas.

Para validar sus predicciones teóricas, los investigadores realizaron extensas simulaciones numéricas en diferentes condiciones. Esta simulación apoyó Exactitud Teoría de medidas y su capacidad para describir la dinámica observada en líquidos formadores de vidrio.

Implicaciones y conclusiones más amplias

Este estudio no sólo profundiza nuestra comprensión de la dinámica del vidrio, sino que también sugiere una nueva forma de abordar las propiedades de algunos otros sistemas complejos en los que la dinámica es entrecortada y entrecortada, características que se sabe que ocurren en una variedad de situaciones, desde la actividad cerebral hasta un vidrio corredizo. Entre cuerpos de fricción.

«Nuestro trabajo vincula el crecimiento de la longitud de la correlación dinámica en fluidos con estados de relajación de tipo avalancha, que han sido bien estudiados, por ejemplo, en el contexto de imanes turbulentos, materiales granulares y terremotos», dice Matthieu Wiart. «Como tal, este enfoque construye puentes inesperados entre otros campos. Nuestra descripción de cómo las avalanchas se ven afectadas por fluctuaciones externas, incluidas las fluctuaciones térmicas, puede ser de interés más general».

Referencia: “Descripción de avalanchas de heterogeneidad dinámica y relajación en líquidos formadores de vidrio” por Ali Tahay, Giulio Pirolli, Misaki Ozawa, Marko Popović y Matteo Wiart, 21 de septiembre de 2023, Revisión física.
doi: 10.1103/PhysRevX.13.031034

El estudio fue financiado por la Fundación Simons y el Schweizerischer Nationalfonds zur Förderung der Wissenschaftlichen Forschung.

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