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La cristalización es un proceso fundamental de la materia pero poco
conocido en sus detalles, especialmente cuando se refiere a sustancias
cuánticas como los isótopos del hidrógeno, en las que la longitud de
onda de las moléculas es comparable a la distancia entre ellas. Esto se
debe a que ocurre muy rápidamente y a temperaturas extremadamente bajas,
por lo que su estudio experimental es muy difícil. Un equipo
internacional liderado por científicos del Consejo Superior de
Investigaciones Científicas (CSIC) ha logrado medir la cinética de
cristalización –la velocidad a la que se produce el proceso de
cristalización- de mezclas líquidas de para-hidrógeno (pH2) y
orto-deuterio (oD2) moleculares enfriadas por debajo de su punto de
fusión (subenfriamiento) y ha observado que es significativamente más
lenta que en las dos sustancias puras.
Los resultados, publicados en la revista Physical Review B Rapid
Communications, constituyen la primera evidencia experimental de
ralentización de origen cuántico de la cristalización. “Comprender la
estabilidad de los líquidos subenfriados respecto a la cristalización es
un problema abierto en la física de materia condensada, de ahí la
importancia de este hallazgo”, explica José María Fernández, del
Instituto de Estructura de la Materia del CSIC.
Hasta la fecha, la mayoría de los experimentos de este tipo se han
realizado con coloides o aleaciones metálicas, que cristalizan más
lentamente que las sustancias moleculares simples. Pero presentan
algunos problemas intrínsecos, como la polidispersión o la sedimentación
que dificultan su interpretación. Por el contrario, las moléculas de pH2
y de oD2, a temperaturas de unos pocos grados Kelvin, se comportan como
partículas esféricas, que interaccionan con un único potencial
intermolecular, a lo que se añade la posibilidad de explorar efectos
cuánticos.
Para subenfriar las mezclas de pH2 y oD2 durante la fase de
experimentación, los investigadores inyectaron microchorros líquidos en
vacío, método que hace que se enfríen rápidamente por evaporación
superficial, y siguieron la cristalización mediante espectrometría Raman
de los modos vibracionales, que permite distinguir la fase líquida de la
sólida. Los científicos comprobaron que si bien las moléculas de los dos
isótopos tienen el mismo tamaño en términos clásicos, los efectos
cuánticos hacen que el “tamaño efectivo” de las moléculas de pH2 sea
mayor que en oD2. Esta diferencia de tamaño se correlaciona con la
ralentización observada en las mezclas. Por esto se habla de
ralentización de origen cuántico.
“Este comportamiento es sorprendente dada la naturaleza isotópica de pH2
y oD2, que forman mezclas ideales cuyas sustancias puras cristalizan en
la misma estructura hexagonal”, destaca Fernández. Según los
científicos, el trabajo, realizado mediante una metodología novedosa,
puede abrir una serie de investigaciones sobre el mecanismo detallado de
la cristalización.
Es de destacar que para investigar a escala de laboratorio el
comportamiento de las sustancias frente a las temperaturas
ultracriogénicas, se utilizan las cámaras criogénicas.
Fuente: CSIC 13/06/2014
M. Kühnel, J. M. Fernández, et ál. Observation of crystallization
slowdown in supercooled parahydrogen and orthodeuterium quantum liquid
mixtures. Physical Review B Rapid Communications.
DOI:10.1103/PhysRevB.89.180201.
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