Durante siglos, el oro ha fascinado a la humanidad por su brillo, su escasez y su resistencia a la corrosión. Pero lo que pocos sospechaban es que, bajo ciertas condiciones extremas, este metal precioso es capaz de desafiar uno de los límites más firmemente establecidos en la física de materiales: su punto de fusión. A más de 18.700 grados centígrados, uno esperaría que cualquier sólido colapsara en forma líquida. Y, sin embargo, el oro hizo algo inesperado.
Un equipo internacional de investigadores ha logrado calentar oro a temperaturas más de 14 veces superiores a su punto de fusión sin que este perdiera su estructura sólida. El hallazgo, publicado en Nature, pone en entredicho conceptos clave sobre los estados de la materia y el límite conocido como “la catástrofe entrópica“, una frontera teórica más allá de la cual un sólido no puede seguir siéndolo. Como escriben los autores del estudio, “este resultado no solo supera los límites previamente predichos de la catástrofe entrópica, sino que también sugiere un umbral mucho más alto para el sobrecalentamiento de sólidos“.
Lo que sucede cuando el calor llega demasiado rápido
El fenómeno observado se llama sobrecalentamiento (superheating). No se trata simplemente de calentar un material por encima de su punto de fusión, sino de hacerlo tan rápidamente que los átomos no tengan tiempo de reorganizarse en estado líquido. Es una especie de suspensión extrema en la que el sólido aguanta el calor, aunque por fracciones de segundo.
En este caso, los científicos utilizaron un láser de pulsos ultracortos para calentar fragmentos de oro de solo 50 nanómetros de grosor. En condiciones normales, el oro se funde a unos 1.064 grados centígrados. Pero en el experimento se alcanzaron los 19.000 kelvin (unos 18.700 grados centígrados) y aun así el oro permaneció sólido durante más de 2 picosegundos, una eternidad a nivel atómico.
Lo realmente novedoso fue la velocidad de calentamiento: más de 6 × 1015 kelvin por segundo, una tasa que supera con creces los valores alcanzados en experimentos anteriores. A esta escala temporal tan breve, las reglas cambian. El calor se acumula, pero los átomos no llegan a reaccionar a tiempo. No hay expansión térmica, ni tiempo para que la estructura colapse.
La catástrofe entrópica, cuestionada
Desde 1988, la física contaba con un límite teórico conocido como “catástrofe entrópica”. Según esta idea, propuesta por Fecht y Johnson, hay un punto a unas tres veces el punto de fusión en el que el desorden (o entropía) del sólido iguala al del líquido. A partir de ahí, el sólido no puede mantenerse estable y debe fundirse.
Pero los resultados obtenidos ahora demuestran que ese límite puede ser superado si el calentamiento es lo bastante rápido. Como explican los autores del artículo en Nature, “nuestros estados sobrecalentados observados a temperaturas muy por encima del límite de la catástrofe entrópica no deberían existir según el modelo actual” .
Lo más desconcertante para los investigadores es que, según las leyes clásicas de la termodinámica, un sistema que pasa del sólido al líquido con una pérdida de entropía viola directamente el segundo principio. Pero si se evita que el cristal se expanda —como sucede en este experimento de tiempo ultracorto—, la entropía del sólido no alcanza a la del líquido y el colapso termodinámico no se produce.
Cómo se midió la temperatura imposible
Una de las claves de este trabajo fue la precisión en la medición de temperaturas tan extremas y tan breves. Para lograrlo, se empleó una técnica llamada dispersión inelástica de rayos X en una configuración de retrodispersión. Esta técnica permite medir directamente la distribución de velocidades de los iones en el material, algo así como observar el “temblor” de los átomos al recibir el calor.
Cada pulso láser generaba una nube de electrones balísticos que calentaban rápidamente los electrones térmicos, que a su vez transferían la energía a los iones del retículo cristalino. Al analizar el ensanchamiento espectral de los rayos X dispersados, el equipo pudo determinar el nivel exacto de temperatura alcanzado en el oro sin depender de modelos indirectos.
Una imagen clara lo deja el experimento: la señal del patrón de difracción de rayos X correspondiente al oro cristalino se mantuvo hasta los 19.000 kelvin, solo desapareciendo después de 2 o 3 picosegundos. Esto prueba que el oro siguió siendo sólido a una temperatura donde, según la teoría, no debería.
¿Y si algunos sólidos no tuvieran punto de fusión?
Los autores del estudio se atreven a proponer una idea provocadora: puede que ciertos sólidos no tengan un punto de fusión bien definido, al menos bajo condiciones de calentamiento ultrarrápido. En ese caso, lo que llamamos “punto de fusión” no sería una propiedad fundamental, sino una consecuencia de la escala de tiempo del calentamiento.
Esto abre nuevas preguntas sobre cómo se comportan los materiales en condiciones extremas, como las que se dan en el interior de los planetas, durante colisiones de asteroides o en los primeros instantes de una explosión nuclear. Entender estos procesos con más precisión podría tener implicaciones profundas en astrofísica, ciencia de materiales y física del plasma.
Los investigadores también subrayan que se necesita comprobar si este fenómeno es exclusivo del oro o si puede replicarse en otros metales o sólidos. Si se observa un comportamiento similar en otros elementos, el marco teórico vigente sobre la estabilidad de los sólidos podría necesitar una revisión radical.
Qué cambia ahora
El experimento no solo desafía un límite teórico establecido durante décadas, sino que propone un nuevo enfoque para estudiar la materia en condiciones extremas. Las reglas clásicas parecen romperse cuando el calor se introduce más rápido de lo que la materia puede responder.
Como concluyen los autores, “nuestros experimentos demuestran claramente que el límite previamente propuesto de sobrecalentamiento puede superarse con creces si el material se calienta lo suficientemente rápido“.
Este tipo de estudios también pone de manifiesto la importancia de los avances tecnológicos en láseres ultrarrápidos y fuentes de rayos X de alta resolución. Sin ellos, mediciones de este tipo seguirían fuera del alcance.
El camino que queda por delante es amplio. Será necesario repetir el experimento en condiciones más controladas, con otros materiales y durante tiempos más largos, para determinar si este fenómeno puede aprovecharse en tecnologías futuras o si es solo una curiosidad cuántica de laboratorio. Pero, por ahora, el oro ha vuelto a brillar con una propiedad que nadie esperaba.
Referencias
Cortesía de Muy Interesante
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