Un equipo internacional de investigadores de la Universidad de Warwick ha logrado un avance significativo en la comprensión de la materia caliente a través de un experimento innovador. Este estudio ha demostrado que el oro supercalentado puede permanecer sólido incluso cuando se expone a temperaturas que superan en más de 42 veces su punto de fusión nominal, alcanzando niveles 14 veces superiores a lo que se había considerado como el límite absoluto para este fenómeno.
La medición precisa de materiales extremadamente calientes ha sido un desafío monumental, casi imposible, pero resulta crucial para entender sistemas complejos como los núcleos planetarios, procesos solares y reactores de fusión. Por primera vez, los investigadores han informado en Nature sobre la medición directa de la temperatura de iones en materia densa y cálida mediante dispersión de rayos X con una resolución extremadamente alta, aplicando esta técnica al oro supercalentado. Este experimento no solo ha superado un límite teórico bien establecido, sino que también ha establecido un nuevo récord de temperatura para el oro sólido, desafiando una teoría antigua conocida como la «catástrofe de entropía», que sostenía que los sólidos no podían mantenerse estables a temperaturas tan extremas.
Un descubrimiento revolucionario
El profesor Dirk Gericke, del Departamento de Física de la Universidad de Warwick, desempeñó un papel fundamental en la planificación experimental y en la interpretación teórica del descubrimiento. Comentó: «Los estados alejados del equilibrio siguen sorprendiéndonos. Las antiguas estimaciones sobre la catástrofe de entropía eran bastante robustas, y nadie pudo superarlas durante mucho tiempo. Sin embargo, las cosas cambian fundamentalmente si se somete a la materia a condiciones extremas sin permitirle encontrar su equilibrio nuevamente».
Este logro experimental fue posible gracias al uso del Linac Coherent Light Source (LCLS), un láser de rayos X ubicado en el Laboratorio Nacional SLAC. Durante casi una década, el equipo trabajó para desarrollar un método que sorteara los desafíos habituales asociados con la medición directa de temperaturas extremas.
Bob Nagler, científico del personal del Laboratorio Nacional SLAC, explicó: “Contamos con buenas técnicas para medir la densidad y presión de estos sistemas, pero no así para medir temperatura. En estos estudios, las temperaturas siempre se estiman con grandes márgenes de error, lo que realmente obstaculiza nuestros modelos teóricos. Ha sido un problema que hemos enfrentado durante décadas”.
Nuevas fronteras en ciencia material
El equipo experimental superó este reto al calentar rápidamente una lámina delgada de oro con un pulso láser que duró apenas 50 cuatrillones (una millonésima parte de mil millonésimos) de segundo. Luego utilizaron LCLS como un termómetro de alta precisión para medir las vibraciones de los iones en la lámina dorada y determinar su temperatura: ¡19,000 grados Kelvin (33,740 grados Fahrenheit)!
Este logro proporciona la primera lectura directa de temperatura en materia densa y cálida, un estado presente en estrellas, núcleos planetarios y experimentos de fusión. Esto allana el camino para diagnósticos térmicos en una amplia gama de entornos de alta densidad energética.
Dirk añadió: “En mi opinión, superar el límite del sobrecalentamiento es un resultado muy fundamental. Su mayor impacto podría estar en las ciencias materiales, pero también podría afectar la interpretación de observaciones en plasma y astrofísica”.
A pesar de sus expectativas iniciales, los investigadores encontraron que la lámina dorada seguía manteniendo una estructura cristalina sólida a estas altas temperaturas. Thomas White, autor principal y profesor dotado Clemons-Magee en Física en la Universidad de Nevada, Reno, afirmó: “Posiblemente estamos ante el material cristalino más caliente jamás registrado. Esperaba que el oro se calentara considerablemente antes de fundirse; sin embargo, no anticipé un aumento tan drástico en temperatura”.
El fenómeno del sobrecalentamiento no es inusual; sin embargo, cuanto más lejos está un material por encima de su punto crítico (de congelación o ebullición), más probable es que se desencadene una catástrofe entropía que provoca una transición abrupta entre fases. El límite teórico final para esta catástrofe fue propuesto en 1988 alrededor del triple del punto de fusión.
White añadió: “Es importante aclarar que no violamos la Segunda Ley de la Termodinámica. Lo que demostramos es que estas catástrofes pueden evitarse si los materiales se calientan extremadamente rápido –?en nuestro caso, dentro del orden de billonésimas partes de segundo”.
FIN
Notas para editores:
El artículo titulado ‘Superheating gold beyond the predicted entropy catastrophe threshold’ ha sido publicado en Nature.
Cabe destacar:
La investigación abre nuevas perspectivas no solo para las ciencias materiales sino también para campos como astrofísica y física del plasma.
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