Sólido, líquido, gaseoso… ¿Algo más? Aunque la mayoría aprendemos los tres estados de la materia en primaria, los físicos han descubierto que pueden existir diversas variedades exóticas bajo condiciones extremas de temperatura y presión.
Un equipo ha empleado un tipo de inteligencia artificial para confirmar la existencia de un insólito nuevo estado de la materia, uno en el que los átomos de potasio muestran propiedades tanto sólidas como líquidas al mismo tiempo. Si de algún modo pudieras arrancar un trocito de dicho material, probablemente se parecería a un bloque sólido del que se filtra potasio fundido que finalmente se disuelve.
“Sería como sostener una esponja llena de agua que empieza a filtrar, pero la esponja también está hecha de agua”, afirma el coautor del estudio Andreas Hermann, físico experto en materia condensada en la Universidad de Edimburgo cuyo equipo describe su trabajo esta semana en la revista Proceedings of the National Academy of Science.
El insólito estado del potasio podría existir bajo condiciones presentes en el manto terrestre, pero en general, el elemento no se encuentra en forma pura y suele estar ligado a otro material. Simulaciones como esta podrían contribuir al estudio del comportamiento de otros minerales en entornos tan extremos.
Cristal con goteras
Metales como el potasio son relativamente directos a nivel microscópico. Cuando se les da la forma de barra sólida, los átomos de los elementos se enlazan en hileras ordenadas que conducen bien el calor y la electricidad. Durante mucho tiempo, los investigadores creyeron que podrían predecir fácilmente lo que podría ocurrir en estructuras tan cristalinas bajo presión.
Pero hace unos 15 años, los científicos descubrieron que el sodio —un metal con propiedades similares al potasio— hacía algo raro cuando lo comprimían. Con 20.000 veces la presión presente en la superficie de la Tierra, el sodio pasaba de ser un bloque plateado a un material transparente que no conducía la electricidad, sino que impedía su flujo. Al explorar el sodio con rayos X, los científicos observaron que sus átomos habían adoptado una formación de cristales compleja en lugar de una simple.
El potasio también se ha sometido a dicho escrutinio experimental. Cuando se comprime en condiciones extremas similares, sus átomos se disponen en una formación elaborada: cinco tubos cilíndricos organizados en forma de equis, con cuatro cadenas largas en los pliegues de este ensamblaje, casi como dos materiales distintos y no entrelazados.
“De algún modo, estos átomos de potasio deciden dividirse en dos subredes vinculadas ligeramente”, afirma Hermann. Pero cuando los científicos aumentaron el calor, las imágenes por rayos X mostraron que las cuatro cadenas desaparecían y los investigadores debatieron qué ocurría exactamente.
Hermann y sus colegas recurrieron a simulaciones para averiguarlo y utilizaron lo que se conoce como red neuronal, una máquina de inteligencia artificial que aprende a predecir el comportamiento basándose en ejemplos anteriores. Tras haberse preparado con grupos pequeños de átomos de potasio, la red neuronal aprendió suficiente mecánica cuántica como para simular colecciones que contenían decenas de miles de átomos.
Los modelos por ordenador confirmaron que a entre 20.000 y 40.000 veces la presión atmosférica y a entre 400 y 800 grados Kelvin (126,85 y 526,85 grados Celsius), el potasio entró en un estado en el que las cadenas se disuelven y pasan a estado líquido mientras que los cristales restantes de potasio permanecen en estado sólido.
Es la primera vez que los científicos han demostrado que dicho estado es termodinámicamente estable en un elemento dado.
Según Marius Millot, que estudia la materia en condiciones extremas en el laboratorio nacional Lawrence Livermore, la técnica de aprendizaje automático que desarrolló el equipo podría ser útil para establecer modelos del comportamiento de otras sustancias.
“La mayoría de la materia del universo está a alta presión y temperatura, por ejemplo, dentro de los planetas y las estrellas”, añade.
Estados exóticos
Ahora que se ha confirmado, el nuevo estado del potasio se suma a los otros estados conocidos de la materia, además del gaseoso, el líquido y el sólido.
- Plasma: Una forma supercaliente de gas en el que los núcleos atómicos están separados de sus electrones, lo que significa que pueden generar y pueden verse afectados por campos magnéticos y eléctricos.
- Condensado de Bose-Einstein: Solo se forma a temperaturas cercanas al cero absoluto. Todos los átomos de la materia empiezan a actuar como una sola partícula.
- Superconductor: Un estado al que se llega cuando determinados metales se enfrían hasta temperaturas bajas y la electricidad puede moverse a través de ellos sin resistencia.
- Superfluido: Un líquido enfriado hasta casi el cero absoluto, de forma que puede fluir sin fricción e incluso subir por las paredes de un recipiente y filtrarse afuera.
- Materia degenerada: Solo se presenta bajo presiones extremadamente altas obtenidas en enanas blancas y estrellas de neutrones, dos tipos de estrellas muertas.
- Plasma de quark-gluones: Un estado en el que los protones y los neutrones se disuelven en los quarks que los integran, que pueden moverse libremente entre partículas denominadas gluones que transportan la fuerza fuerte.
National Geographic