Desde la fabricación de fármacos, dispositivos electrónicos o materiales de alta tecnología a la criopreservación de proteínas, células y tejidos vivos, el conocimiento de qué sucede cuando un vidrio se calienta y pasa a una fase líquida subenfriada es de vital importancia. La llamada transición vítrea ha sido observada primera vez en tiempo real en un microscopio.

Los vidrios son materiales sólidos con una estructura tan desordenada que podrían considerarse como líquidos de una viscosidad extraordinariamente elevada. Los encontramos en las ventanas, en las pantallas de televisión y en los dispositivos móviles, en la fibra óptica, en materiales industriales plásticos, y también en el estado que presentan proteínas, estructuras celulares y tejidos vivos cuando se congelan para criopreservarlos.

Pese a ser tan habituales, es muy difícil desarrollar teorías y modelos que puedan explicar su comportamiento en detalle. Los mecanismos por los que un líquido se enfría y se transforma en un vidrio y a la inversa —cómo un vidrio se transforma en líquido al calentarse, la llamada transición vítrea— no terminan de entenderse. No se sabe a ciencia cierta si se trata de una transición de fase y se puede considerar el vidrio como un estado termodinámico diferente de los estados líquido y sólido, o si, por el contrario, el vidrio es simplemente un líquido subenfriado —enfriado por debajo de la temperatura de congelación pero manteniendo propiedades de líquido— cuyos átomos o moléculas tienen muy poca movilidad.

Una de las mayores dificultades para entender este proceso está en los desafíos que aparecen para poder visualizarlo a través del microscopio con suficiente resolución, ya que la estructura del líquido subenfriado y la del vidrio son indistinguibles a efectos prácticos.

Ahora, un equipo de investigación ha desarrollado una metodología que permite salvar esta dificultad. Ha trabajado con vidrios orgánicos ultraestables, que se preparan mediante evaporación térmica. Son más densos y exhiben una mayor estabilidad cinética y termodinámica que los vidrios convencionales obtenidos directamente a partir de líquidos.

A diferencia de los vidrios convencionales que, tal y como se ha visto hasta ahora, se transforman hacia el estado líquido de forma global, sin distinciones claras entre diferentes regiones del material, estos vidrios ultraestables hacen la transición hacia un estado líquido subenfriado de modo similar a como lo hacen los sólidos cristalinos cuando pasan al estado líquido, con la formación de zonas en fase líquida que van creciendo progresivamente. Se trata de un proceso que ya se ha descrito de forma indirecta mediante medidas de nanocalorimetría y que se ha observado solo en modelos computacionales.

La nueva metodología consiste en crear un sándwich insertando el vidrio ultraestable entre dos capas de vidrio con una temperatura de transición más elevada. Cuando la capa de vidrio ultraestable se calienta por encima de su temperatura de transición, las inestabilidades que se producen en la superficie se trasladan a las capas exteriores del sándwich y pueden ser observadas directamente mediante un microscopio de fuerza atómica.

“Se trata de movimientos y compresiones muy pequeños, del orden de unos pocos nanómetros cuando comienza la transformación, pero lo suficientemente grandes como para poder ser medidos de forma precisa con un microscopio de este tipo, que monitoriza in situ las deformaciones de la superficie que aparecen por encima de la temperatura de transición”, explica Marta Ruiz Ruiz, primera autora del estudio.

De esta manera se puede seguir en tiempo real la ‘desvitrificación’ del vidrio. La metodología Permite cuantificar la dinámica del proceso de relajación en los cristales ultraestables hacia un líquido subenfriado mediante la medida directa de las distancias existentes entre los dominios líquidos que van apareciendo, mientras se observa la deformación de la superficie y su evolución a lo largo del tiempo. De esta forma se ha podido confirmar cómo estas distancias entre zonas líquidas son extraordinariamente grandes en este tipo de vidrio. También se ha podido comparar directamente los resultados de los modelos computacionales con la realidad física y determinar la correlación de estas distancias con las escalas de tiempo del material.

Referencia:

Ruiz-Ruiz, M., Vila-Costa, A., Bar, T. et al. (2023) Real-time microscopy of the relaxation of a glass. Nat. Phys. (2023). doi: 10.1038/s41567-023-02125-0

Edición realizada por César Tomé López a partir de materiales suministrados por la Universitat Autònoma de Barcelona.