El material en condiciones extremas de temperatura y presión extremadamente altas resulta ser notablemente simple y universal.

Científicos de la Universidad Queen Mary de Londres han hecho dos descubrimientos sobre el comportamiento de la «materia supercrítica», la sustancia en el punto crítico donde las diferencias entre líquidos y gases parecen desaparecer.

Anteriormente, si bien se entendía bien el comportamiento de la materia a una temperatura y presión razonablemente bajas, la imagen de la materia a una temperatura y presión altas no estaba clara. Por encima del punto crítico, las diferencias entre líquidos y gases parecen desaparecer, y se piensa que el supercrítico se vuelve caliente, denso y homogéneo.

Los investigadores creen que existe una nueva física, aún no revelada, de la materia en el estado supercrítico.

Al aplicar dos parámetros: la capacidad calorífica y la longitud sobre la cual las ondas pueden propagarse en el sistema, hicieron dos descubrimientos principales. Primero, encuentran que hay un punto constante de inflexión entre los dos en el que una sustancia cambia sus propiedades físicas, de líquido a gas. También encuentran que este punto de inflexión está notablemente cerca en todos los sistemas estudiados, lo que nos dice que la materia supercrítica es intrigantemente simple y susceptible de una nueva comprensión.

Además de una comprensión básica de los estados de la materia y un diagrama de transición de fase, la comprensión de la materia supercrítica tiene muchas aplicaciones prácticas; El hidrógeno y el helio son supercríticos en los planetas gigantes gaseosos como Júpiter y Saturno y, por lo tanto, controlan sus propiedades físicas. En aplicaciones ambientales ecológicas, los fluidos supercríticos también han demostrado ser muy efectivos en la destrucción de desechos peligrosos, pero los ingenieros buscan cada vez más la orientación de la teoría para mejorar la eficiencia de los procesos supercríticos.

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“La universalidad confirmada de la materia supercrítica abre el camino a una nueva imagen materialmente transparente de la materia en condiciones extremas”, dijo Kostya Trachenko, profesor de física en la Universidad Queen Mary de Londres. Esta es una perspectiva emocionante desde el punto de vista de la física fundamental, así como la comprensión y predicción de las propiedades supercríticas en aplicaciones ambientales verdes, astronomía y otros campos.

Este viaje continúa y es probable que sea testigo de emocionantes desarrollos en el futuro. Por ejemplo, invita a preguntarse si el punto fijo de inflexión está relacionado con las transiciones de fase tradicionales de orden superior. ¿Se puede describir usando las ideas existentes involucradas en la teoría de transición de fase, o es algo completamente nuevo y diferente? A medida que ampliamos los límites de lo que se conoce, podemos identificar estas nuevas preguntas interesantes y comenzar a buscar respuestas.

metodología

El principal problema para comprender la materia supercrítica era que las teorías de gases, líquidos y sólidos no eran aplicables. No está claro qué parámetros físicos revelarán las características más destacadas del estado supercrítico.

Armados con una comprensión temprana de los fluidos a bajas temperaturas y presiones, los investigadores utilizaron dos parámetros para describir un supercrítico.

1. El primer parámetro es una propiedad de uso común: esta es la capacidad calorífica que muestra la eficiencia con la que el sistema absorbe calor y contiene información básica sobre los grados de libertad del sistema.

2. El segundo parámetro es menos común: la longitud sobre la cual las ondas pueden propagarse en el sistema. Esta longitud controla el espacio de fase disponible para los fonones. Cuando esta longitud alcanza el valor más pequeño posible y se vuelve igual a la separación de los átomos, sucede algo realmente interesante.

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Los científicos descubrieron que, en términos de estos dos parámetros, la materia en condiciones extremas de alta presión y temperatura se vuelve significativamente global.

Esta universalidad es doble. En primer lugar, el gráfico de la amplitud del calor frente a la longitud de propagación de la onda tiene un sorprendente punto fijo de inflexión que corresponde a la transición entre dos estados supercríticos físicamente diferentes: un estado líquido y otro gaseoso. Al cruzar este punto de reflexión, la sustancia supercrítica cambia sus principales propiedades físicas. El punto de inflexión sirve de manera importante como una forma inequívoca de separar los dos estados, algo que ha ocupado la mente de los científicos desde hace algún tiempo.

En segundo lugar, la ubicación de este punto de inflexión es notablemente cercana en todos los tipos de sistemas estudiados. El segundo mundo difiere notablemente de todos los demás puntos de transición conocidos. Por ejemplo, dos de estos puntos de transición, el punto triple donde coexisten los tres estados de la materia (líquido, gas y sólido) y el punto crítico donde termina la línea de ebullición gas-líquido, son diferentes en diferentes sistemas. Por otro lado, el mismo punto de inflexión en todos los sistemas en condiciones supercríticas extremas nos dice que la materia supercrítica es intrigantemente simple y susceptible de una nueva comprensión.

Revelar y demostrar esta simplicidad es el principal hallazgo del artículo «Global Double Supercritical Transition» publicado en Science Advances.

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