Un vaso de agua helada en un día de verano parece un fenómeno sencillo: el hielo se derrite, el líquido se forma y todo ocurre en cuestión de segundos. Pero si esa transformación ocurriera en un mundo de solo dos dimensiones, lo que hoy consideramos un proceso rutinario podría volverse una rareza física llena de sorpresas. Es lo que acaban de descubrir científicos europeos al observar, por primera vez, cómo un cristal se derrite lentamente sin volverse líquido de inmediato.
En lugar de pasar directamente de sólido a líquido, un material bidimensional llamado yoduro de plata (AgI) mostró una fase intermedia exótica que combina orden y desorden a la vez. Lo extraordinario no es solo el hallazgo en sí, sino que este comportamiento nunca se había documentado en materiales reales con enlaces químicos fuertes. El descubrimiento, publicado en la revista Science, podría cambiar la forma en que entendemos los estados de la materia cuando se reduce al mínimo su espesor.
Una fase que combina orden y caos
En la vida cotidiana, los sólidos pasan al estado líquido cuando se alcanza cierta temperatura, y este cambio es inmediato. Sin embargo, los materiales bidimensionales, que tienen apenas un átomo de grosor, no siempre siguen estas reglas. En lugar de derretirse de forma abrupta, pueden atravesar una etapa intermedia llamada fase hexática, donde el material pierde parte de su orden pero no completamente.
En esta fase, los átomos siguen mostrando cierta organización angular —como si conservaran el esqueleto del cristal original—, pero se dispersan de manera irregular, un rasgo más típico de los líquidos. Es como si el material estuviera a medio camino entre ambos mundos. Aunque esta idea se propuso en los años 70, hasta ahora solo se había visto en modelos experimentales muy simplificados, como esferas de plástico o películas moleculares.
“El comportamiento observado confirma que la fase hexática puede existir en cristales reales unidos por enlaces covalentes”, señala el estudio, resolviendo así un misterio que llevaba décadas sin respuesta.
El cristal que se derrite lentamente
El equipo de investigación utilizó un tipo especial de cristal de AgI que fue encapsulado entre capas de grafeno, un material resistente y transparente a los electrones. Esta especie de “sándwich” permitió observar la estructura atómica sin que el material se deteriorara por la exposición al microscopio.
El experimento se llevó a cabo con un microscopio de transmisión de electrones de barrido (STEM), capaz de registrar imágenes a resolución atómica mientras se calentaba progresivamente el cristal hasta más de 1100 °C. A cada incremento de temperatura, se analizaban miles de imágenes con ayuda de redes neuronales artificiales entrenadas para detectar patrones atómicos.
Entre 1125 y 1145 °C, el cristal entró en la fase hexática, caracterizada por un orden parcial en la orientación de los átomos y una pérdida gradual de la estructura regular. Al superar los 1150 °C, esa organización desapareció por completo y el cristal se convirtió en un líquido bidimensional.
Figura 3 Fuente: Science
Una transición que rompe las predicciones
Lo más llamativo del estudio no fue solo observar la fase hexática, sino descubrir cómo ocurre la transición entre estados. Según la teoría clásica de Kosterlitz-Thouless-Halperin-Nelson-Young (KTHNY), tanto el paso de sólido a hexático como el de hexático a líquido deberían producirse de manera continua y gradual.
Pero los datos revelaron lo contrario. Mientras el primer paso —de sólido a hexático— sí fue progresivo, la transformación final hacia el estado líquido fue repentina y abrupta. Esta combinación de transiciones mixtas apoya un modelo alternativo de fusión, donde distintas fases pueden coexistir y competir dentro del mismo sistema.
Como puede leerse en el paper, “La distribución de densidad local se volvió bimodal cerca de los 1150 °C, indicando coexistencia de fases y una transición de primer orden entre la fase hexática y la líquida”. Esto refuerza la idea de que la materia en dos dimensiones puede seguir caminos distintos a los observados en materiales tridimensionales.
Cómo se captura un fenómeno efímero
Detectar esta fase intermedia no fue una tarea sencilla. Para lograrlo, los investigadores desarrollaron un sistema de análisis basado en inteligencia artificial capaz de rastrear la posición de cada átomo en miles de fotogramas. El trabajo de la red neuronal no fue solo identificar átomos, sino también analizar el grado de orden en sus posiciones y ángulos relativos.
Los patrones de correlación espacial fueron evaluados con dos funciones: una que mide el orden translacional (la regularidad en el espaciado entre átomos) y otra que mide el orden orientacional (la simetría en los ángulos). La fase hexática se reconoció cuando los átomos perdieron su regularidad en el espacio pero mantuvieron cierta coherencia angular.
Este enfoque permitió a los científicos identificar, con precisión milimétrica, el momento exacto en que el cristal cambiaba de fase. “Sin el uso de redes neuronales, habría sido imposible seguir el rastro de cada uno de estos átomos”, explicó Kimmo Mustonen, autor principal del estudio.
El valor de lo invisible
Más allá del hallazgo puntual, este experimento demuestra el poder de las nuevas herramientas de visualización a escala atómica. Poder observar en tiempo real cómo se reorganizan los átomos de un cristal en un entorno controlado abre nuevas puertas para estudiar la materia en condiciones extremas.
Además, entender cómo se comportan los materiales en dos dimensiones no es solo una curiosidad teórica. Las tecnologías emergentes basadas en materiales 2D —como sensores, dispositivos electrónicos flexibles o nuevos tipos de baterías— podrían beneficiarse de este conocimiento.
El hecho de que la estructura cristalina pueda descomponerse en etapas plantea preguntas sobre la estabilidad de estos materiales bajo presión o calor, y sobre si es posible aprovechar esa transición para diseñar propiedades a medida. En este sentido, el estudio no solo observa, también anticipa posibles aplicaciones futuras.
Referencias
- Thuy An Bui, David Lamprecht, Jacob Madsen, Marcin Kurpas, Peter Kotrusz, Alexander Markevich, Clemens Mangler, Jani Kotakoski, Lado Filipovic, Jannik C. Meyer, Timothy J. Pennycook, Viera Skákalová y Kimmo Mustonen. Hexatic phase in covalent two-dimensional silver iodide. Science, 4 de diciembre de 2025. DOI: 10.1126/science.adv7915.
Cortesía de Muy Interesante
Dejanos un comentario: