Confirmada la existencia de un metal sólido y líquido a la vez
Un programa de inteligencia artificial predice la formación de un nuevo estado de la materia
“Si pudiese sujetarlo en la mano, sería un pedazo sólido que escurre una parte líquida del mismo material”, dice Andreas Hermann, físico de materia condensada en la Universidad de Edimburgo (Escocia). Lo que Hermann describe es un estado exótico de la materia cuya existencia era solo una hipótesis hasta ahora. Utilizando un programa de inteligencia artificial, él y otros investigadores de Reino Unido y de China acaban de confirmarlo: hay una fase estable de los metales que combina átomos en configuración sólida y otros en estado líquido a la vez.
La sorprendente estructura se forma al aplicar enormes presiones y alta temperatura a un bloque de potasio puro, aunque los científicos sospechan que al menos otros seis elementos químicos —más metales como el sodio y el bismuto— podrán existir en este estado.
La experiencia cotidiana dicta que un material solo puede ser sólido y líquido cuando está en cambio de fase, por ejemplo un cubito de hielo que se derrite. Sin embargo, el nuevo estado, que se llama el chain-melted state (“fusión en cadenas”), existe en un amplio rango de condiciones; no está en proceso de fusión ni de solidificación.
Lo podrías poner en un colador y atravesaría los poros en su forma líquida
“El material es estable. Lo podrías poner en un colador y atravesaría los poros en su forma líquida, pero luego sería capaz de reconstituir una parte sólida al otro lado”, explica Hermann. Aunque es difícil imaginar aplicaciones tecnológicas para una estructura que solo aparece con mucho calor y alta presión, los investigadores recuerdan que, en el universo, la mayor parte de la materia está sujeta a estas condiciones extremas, en el interior de planetas y otros cuerpos astronómicos.
A presión atmosférica y temperatura ambiente, la conformación interna de una barra metálica de potasio es sencilla: muchas hileras ordenadas de átomos. Sin embargo, al comprimir y calentar el material, su estructura cristalina se complica. Desde hace años, los científicos saben que pueden aparecer simultáneamente dos configuraciones sólidas de átomos, pero la forma exacta de cada una se desconocía.
No basta con conocer la ordenación de un puñado de átomos y asumir que se puede extrapolar a todo el material. Según explica Rafael Molina, un físico teórico de materia condensada del Instituto de Estructura de los Materiales (IEM-CSIC), los cristales forman estructuras “no conmensuradas”, lo cual significa que la distancia entre los átomos en una red no es igual en otra. “No son periódicas exactamente”, resume: “Para entender bien estos materiales, hacen falta simulaciones de muchos átomos”.
Hermann y sus compañeros recurrieron a la inteligencia artificial para esclarecer las propiedades de estas redes grandes, según explican en la revista PNAS. Entrenaron a una inteligencia artificial con las propiedades de pequeños grupos de átomos de potasio, para que aprendiese a predecir la estructura de la materia bajo diversas condiciones. El programa incorporó elementos de la mecánica cuántica, que es la teoría más realista que tienen los físicos para explicar el comportamiento de las partículas. Así fue capaz de simular con éxito la configuración de un bloque de 20.000 átomos de potasio, algo que nunca se habría logrado realizando los cálculos matemáticos de la mecánica cuántica, por su complejidad.
Al aumentar la presión, el programa predice que los átomos de potasio, efectivamente, forman dos estructuras sólidas pero independientes. Aproximadamente el 80% de ellos se organizan en cinco tubos cilíndricos que componen una cruz griega (un cilindro en el centro, cuatro en los extremos). El 20% restante forma cuatro hileras de átomos que se acomodan en los huecos de la cruz. En el rango de 127 a 527 grados centígrados, y entre 20.000 y 40.000 veces la presión atmosférica —condiciones comparables a las del manto terrestre—, solo las hileras de átomos se vuelven líquidas. Fluyen de manera independiente a la estructura de cruz, que permanece sólida.
La aportación más valiosa del estudio, según Molina, quien no participó en la investigación, es que el programa de inteligencia artificial también predice con sorprendente precisión los cambios de fase que ya se conocían del potasio. Eso es “una indicación muy fuerte de que realmente tienen razón”, explica, a pesar de que todavía nadie ha observado a nivel atómico este nuevo estado de la materia.
El algoritmo que han desarrollado Hermann y sus compañeros se podrá utilizar para predecir si otros elementos experimentan también este cambio de fase, o incluso estados nuevos todavía desconocidos. El potasio, concretamente, es un elemento muy reactivo y rara vez se encuentra en estado puro, por lo que “es poco probable que exista así en la naturaleza”, confiesa Hermann. Pero los científicos ahora tienen una herramienta para entender cambios extremos y naturales de la materia, como los que se producen en la desintegración de un meteorito o en el impacto de una bala.
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