La fusión de los vidrios ultraestables
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‘Nucleation and Growth of the Supercooled Liquid Phase Control Glass Transition in Ultrastable Glasses’ Phys. Rev. Lett. 124, 076002 – Published 21 February 2020

En un artículo recientemente publicado en Physical Review Letters (DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.076002),  investigadores de la Unidad de Física de Materials I del Departamento de Física de la Universitat Autònoma de Barcelona en colaboración con el Instituto de Microelectrònica de Barcelona demuestran que el mecanismo de transformación de los vidrios ultraestables se asemeja a una trasformación de primer orden y puede describirse en el marco de la teoría clásica de nucleación y crecimiento. 

La transición vítrea, el paso de un vidrio de elevada viscosidad a un líquido de mayor movilidad al aumentar la temperatura, continúa siendo uno de los enigmas de la física de la materia condensada después de más de 100 años de intensas investigaciones desde diferentes campos de la física, la química y/o la físico-química. Es sorprendente que un material desordenado, sin orden atómico o molecular incluso a cortas distancias, exhiba un cambio tan abrupto de sus propiedades dinámicas, en un intervalo de temperatura reducido, en el que la estructura se mantiene prácticamente imperturbable. Este cambio exponencial de las propiedades dinámicas sin cambios en la microestructura sigue maravillando e inquietando a la comunidad científica dedicada al estudio del estado vítreo. A día de hoy existen teorías contradictorias que intentan explicar la transición vítrea: unas consideran que tras el arresto cinético que se observa experimentalmente al formar el vidrio desde el líquido existe una transición de fase termodinámica, pero que ésta no es observable al ser inaccesible en el laboratorio. Otras teorías sostienen que el estado vítreo se corresponde con un líquido subenfriado de alta viscosidad y que nada diferencia a ambos estados. En general, se acepta que la transición vítrea observada en el laboratorio y que se manifiesta por un salto relativamente abrupto en la capacidad calorífica al variar la temperatura, es una transición cinética, ya que la temperatura a la que se produce, es decir la temperatura de transición vítrea, depende de la historia térmica del material. En un contexto general la fenomenología de la transición vítrea puede aplicarse a procesos en los que las escalas temporales en las que alguna magnitud física se equilibra se vuelven más largas que la escala de tiempos en la que el sistema es observado.

En este trabajo los investigadores de la UAB y el IMB-CNM, utilizan unos vidrios especiales denominados vidrios ultraestables. Estos materiales, crecidos en pocos minutos a partir del vapor, poseen propiedades sorprendentes, como, por ejemplo, su elevada estabilidad termodinámica o densidad, comparables a las que podría alcanzar un vidrio obtenido a partir del líquido y estabilizado durante miles o millones de años. La transformación ha sido analizada mediante la técnica de nanocalorimetría, que da acceso a la capacidad calorífica de capas ultrafinas y en la que el grupo de la UAB es pionero a nivel internacional. El análisis de las curvas de capacidad calorífica permite extraer como aumenta la fracción de vidrio transformado en fase líquida en función del tiempo a temperaturas por encima de la temperatura de transición vítrea. A partir de la evolución de la fracción transformada se determina el mecanismo de transformación. Sorprendentemente, la transformación se asemeja a una fusión convencional dominada por una nucleación heterogénea en sitios preexistentes que, a falta de confirmación experimental, se especula puedan ser regiones nanoscópicas de baja densidad presentes en el vidrio. Este descubrimiento es de vital importancia para extender la fenomenología de la transición vítrea y tratar de elucidar su verdadera naturaleza. En un aspecto más aplicado, esta investigación es relevante para poder fabricar dispositivos electrónicos, como los OLEDs (organic light emitting devices) más duraderos y eficientes.

El dibujo muestra la evolución de la fracción transformada en fase líquida en función del tiempo a una temperatura por encima de la temperatura de transición vítrea. Las esferas de color verdoso representan los núcleos de fase líquida que después de nuclear a t=0 crecen a expensas del vidrio.
 

 
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