El hielo no siempre es hielo por completo. Incluso a temperaturas muy por debajo del punto de congelación, su superficie se puede recubrir con una película de átomos cuasi-líquidos, con un espesor por lo general de unos pocos nanómetros.
El proceso de su formación se conoce como prefusión (o ‘fusión superficial’), y es por eso que los cubitos de hielo pueden pegarse incluso en el congelador.
Además del hielo, hemos observado una capa superficial prefundida en una amplia gama de materiales con estructuras cristalinas, aquellos en los que los átomos del interior están dispuestos en una red perfectamente ordenada, como los diamantes, el cuarzo y la sal de mesa.
Ahora, por primera vez, los científicos han observado el derretimiento de la superficie de una sustancia que está en ruinas internas: 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 un sólido amorfo: No tiene una estructura atómica real de la que hablar. En cambio, sus átomos están amontonados sin orden ni concierto, más como lo que esperarías ver en un líquido.
Esto, como era de esperar, hace que sea mucho más difícil detectar una película prefundida casi líquida en la superficie del vidrio.
La detección de esta capa líquida se hace generalmente mediante experimentos que implican la dispersión de neutrones o rayos X, que son sensibles al orden atómico.
Se pide hielo sólido; la fusión de la superficie es menor. En 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 en el vidrio atómico.
Dado que las esferas son 10.000 veces más grandes que los átomos, su comportamiento puede verse directamente al microscopio y, por tanto, estudiarse con más detalle.
Usando microscopía y dispersión, Bechinger y Tian examinaron de cerca su vidrio coloidal e identificaron los 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 mayor 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 rápidamente 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 superficial de vidrio”. los investigadores escriben en su artículo.
“Esta capa contiene grupos cooperativos de partículas altamente móviles que se forman en la superficie y que proliferan profundamente en el material en varias decenas de diámetros de partículas y mucho más allá de la región donde la densidad de partículas se satura”.
Dado que la fusión de la superficie altera 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 podría explicar por qué las películas vítreas metálicas y poliméricas delgadas tienen una alta conductividad iónica 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 ha sido publicada en Comunicaciones de la naturaleza.