Transición de fase

Las transiciones de fase se refieren comúnmente a la transformación de una sustancia entre los cuatro estados de la materia . En el punto de transición de fase, por ejemplo, el punto de ebullición , las dos fases involucradas (líquida y gaseosa ) tienen energías libres idénticas y, por lo tanto, son igualmente probables. Por debajo del punto de ebullición, el líquido es el estado más estable, mientras que por encima, el gaseoso es el más estable.

En la siguiente tabla se identifican las transiciones comunes entre las fases sólida, líquida y gaseosa de un mismo componente, debido a los efectos de la temperatura y/o la presión :

Para un componente individual, la fase más estable a diferentes temperaturas y presiones se puede representar en un diagrama de fases . Este diagrama suele mostrar estados en equilibrio. Una transición de fase generalmente ocurre cuando la presión o la temperatura cambian y el sistema pasa de una región a otra, como cuando el agua pasa de líquido a sólido al descender la temperatura por debajo del punto de congelación . Como excepción al caso habitual, a veces es posible cambiar el estado de un sistema diabáticamente (en contraposición a adiabáticamente ) de tal manera que se pueda superar un punto de transición de fase sin que esta ocurra. El estado resultante es metaestable , es decir, menos estable que la fase a la que habría ocurrido la transición, pero tampoco inestable. Esto sucede, por ejemplo, en el sobrecalentamiento y el sobreenfriamiento . Los estados metaestables no aparecen en los diagramas de fases habituales.

Las transiciones de fase también pueden ocurrir cuando un sólido cambia a una estructura diferente sin modificar su composición química. En los elementos, esto se conoce como alotropía , mientras que en los compuestos se conoce como polimorfismo . El cambio de una estructura cristalina a otra, de un sólido cristalino a un sólido amorfo , o de una estructura amorfa a otra ( poliamorfos ) son ejemplos de transiciones de fase sólido-sólido.

La transformación martensítica se produce como una de las muchas transformaciones de fase en el acero al carbono y sirve de modelo para las transformaciones de fase por desplazamiento . Transiciones de orden-desorden como en los aluminuros de titanio alfa . Al igual que con los estados de la materia, también existe una transformación de fase de metaestable a equilibrio para las transiciones de fase estructurales. Un polimorfo metaestable que se forma rápidamente debido a una menor energía superficial se transformará en una fase de equilibrio si se le proporciona suficiente aporte térmico para superar una barrera energética.

Muchos materiales microporosos dinámicos o blandos presentan transiciones de fase estructurales entre formas cerradas y abiertas. Los marcos metalorgánicos , en particular, han sido ampliamente estudiados por este comportamiento. El panorama de fases puede ser más complejo, con el descubrimiento de fases intermedias. ^{[ 1 ]} Otros ejemplos muestran que las moléculas huésped pueden estabilizar fases específicas, dando lugar a configuraciones cristalinas que dependen de la composición de la atmósfera circundante. ^{[ 2 ]}

Las transiciones de fase también pueden describir el cambio entre diferentes tipos de ordenamiento magnético . La más conocida es la transición entre las fases ferromagnética y paramagnética de los materiales magnéticos , que ocurre en lo que se denomina el punto de Curie . Otro ejemplo es la transición entre estructuras magnéticas con diferente ordenamiento, conmensurables o inconmensurables, como en el antimoniuro de cerio. El modelo de Ising proporciona un modelo simplificado pero muy útil de transiciones de fase magnéticas .

Las transiciones de fase que involucran soluciones y mezclas son más complejas que las que involucran un solo compuesto. Mientras que los compuestos químicamente puros presentan un único punto de fusión entre las fases sólida y líquida, las mezclas pueden tener un único punto de fusión, conocido como fusión congruente , o bien diferentes temperaturas de liquidus y solidus , lo que da lugar a un intervalo de temperatura donde el sólido y el líquido coexisten en equilibrio. Este suele ser el caso en las soluciones sólidas , donde los dos componentes son isoestructurales.

También existen varias transiciones de fase que involucran tres fases: una transformación eutéctica , en la que un líquido monofásico de dos componentes se enfría y se transforma en dos fases sólidas. El mismo proceso, pero comenzando con un sólido en lugar de un líquido, se denomina transformación eutectoide . Una transformación peritéctica , en la que un sólido monofásico de dos componentes se calienta y se transforma en una fase sólida y una fase líquida. Una reacción peritectoide es una reacción peritectoide, excepto que involucra solo fases sólidas. Una reacción monotéctica consiste en el cambio de un líquido a una combinación de un sólido y un segundo líquido, donde los dos líquidos presentan una brecha de miscibilidad . ^{[ 3 ]}

La separación en múltiples fases puede producirse mediante descomposición espinodal , en la que una sola fase se enfría y se separa en dos composiciones diferentes.

Pueden producirse mezclas en desequilibrio, como por ejemplo en la sobresaturación .

Otros cambios de fase incluyen:

• Transición a una mesofase entre sólido y líquido, como por ejemplo una de las fases de " cristal líquido ".
• La dependencia de la geometría de adsorción de la cobertura y la temperatura, como en el caso del hidrógeno sobre hierro (110).
• La aparición de superconductividad en ciertos metales y cerámicas al enfriarse por debajo de una temperatura crítica.
• La aparición de propiedades de metamateriales en medios fotónicos artificiales a medida que varían sus parámetros. ^{[ 4 ] [ 5 ]}
• Condensación cuántica de fluidos bosónicos ( condensación de Bose-Einstein ). La transición superfluida en el helio líquido es un ejemplo de ello.
• La ruptura de simetrías en las leyes de la física durante la historia temprana del universo a medida que su temperatura disminuía.
• El fraccionamiento isotópico ocurre durante una transición de fase, y la proporción de isótopos ligeros a pesados ​​en las moléculas involucradas cambia. Cuando el vapor de agua se condensa (un fraccionamiento de equilibrio ), los isótopos más pesados ​​del agua ( ^18O y ^2H ) se enriquecen en la fase líquida, mientras que los isótopos más ligeros ( ^16O y ^1H ) tienden hacia la fase de vapor. ^{[ 6 ]}

Las transiciones de fase ocurren cuando la energía libre termodinámica de un sistema no es analítica para ciertas variables termodinámicas (véase fases ). Esta condición generalmente se debe a las interacciones de un gran número de partículas en un sistema y no se presenta en sistemas pequeños. Las transiciones de fase pueden ocurrir en sistemas no termodinámicos, donde la temperatura no es un parámetro. Algunos ejemplos son: transiciones de fase cuánticas , transiciones de fase dinámicas y transiciones de fase topológicas (estructurales). En estos sistemas, otros parámetros reemplazan a la temperatura. Por ejemplo, la probabilidad de conexión sustituye a la temperatura en redes percolantes.

Paul Ehrenfest clasificó las transiciones de fase basándose en el comportamiento de la energía libre termodinámica en función de otras variables termodinámicas. ^{[ 7 ]} La clasificación de Ehrenfest permite tanto transiciones de fase cuya derivada más baja de la energía libre es discontinua en la transición, ^{[ 8 ]} como transformaciones de fase continuas, donde cambia el carácter de enlace de un material, pero no hay discontinuidad en ninguna derivada de la energía libre. ^{[ 7 ] [ 9 ]}

Según el esquema de Ehrenfest, las transiciones de fase discontinuas se etiquetan por la derivada más baja de la energía libre que es discontinua en la transición: p. ej., las transiciones de fase de primer orden exhiben una discontinuidad en la primera derivada de la energía libre con respecto a alguna variable termodinámica. ^{[ 8 ]} Las diversas transiciones sólido/líquido/gas se clasifican como transiciones de primer orden porque implican un cambio discontinuo en la densidad, que es la (inversa de la) primera derivada de la energía libre con respecto a la presión. Las transiciones de fase de segundo orden son continuas en la primera derivada (el parámetro de orden , que es la primera derivada de la energía libre con respecto al campo externo, es continuo a través de la transición) pero exhiben una discontinuidad en una segunda derivada de la energía libre. ^{[ 8 ]} Estas incluyen la transición de fase ferromagnética en materiales como el hierro, donde la magnetización , que es la primera derivada de la energía libre con respecto a la intensidad del campo magnético aplicado, aumenta continuamente desde cero a medida que la temperatura se reduce por debajo de la temperatura de Curie ; La susceptibilidad magnética , la segunda derivada de la energía libre con respecto al campo, cambia de forma discontinua. ^{[ 8 ]}

Según el esquema de Ehrenfest, en principio podrían existir transiciones de fase de tercer, cuarto y orden superior, ^{[ 10 ]} pero en la práctica, generalmente solo se observan transiciones de fase de primer y segundo orden. ^{[ 11 ]} Ejemplos de excepciones a esto incluyen la transición de fase de Gross-Witten-Wadia en la cromodinámica cuántica de red 2D, que es una transición de fase de tercer orden, y la distribución de Tracy-Widom , que puede interpretarse como una transición de tercer orden. ^{[ 12 ] [ 11 ]} Los puntos de Curie de muchos ferromagnetos también se consideran transiciones de tercer orden, como lo demuestra el cambio repentino de pendiente en su calor específico. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

El concepto de transición de fase de segundo orden fue, durante un tiempo, controvertido, ya que parecía requerir dos "láminas" de la energía libre de Gibbs para oscilar exactamente, lo cual se consideraba tan improbable que probablemente nunca ocurriría. Cornelis Gorter respondió a la crítica, señalando que la superficie de energía libre de Gibbs podría tener dos láminas en un lado, pero solo una en el otro, creando una apariencia bifurcada. ^{[ 7 ] [ 13 ] : pp.146-150}

El primer ejemplo de una transición de fase descubierta que no encajaba en la clasificación de Ehrenfest fue la solución exacta del modelo de Ising , descubierta en 1944 por Lars Onsager . El calor específico exacto difería de las aproximaciones de campo medio anteriores , que habían predicho que presentaba una discontinuidad simple a la temperatura crítica; en cambio, el calor específico exacto divergía logarítmicamente a la temperatura crítica. ^{[ 15 ]} En las décadas siguientes, la clasificación de Ehrenfest fue reemplazada por un esquema simplificado capaz de incorporar dichas transiciones.

En el esquema de clasificación moderno, las transiciones de fase se dividen en dos categorías amplias, denominadas de forma similar a las clases de Ehrenfest: ^{[ 7 ]}

Las transiciones de fase de primer orden son aquellas que implican calor latente . Durante dicha transición, un sistema absorbe o libera una cantidad fija (y generalmente grande) de energía por volumen. Durante este proceso, la temperatura del sistema se mantiene constante a medida que se añade calor: el sistema se encuentra en un "régimen de fase mixta" en el que algunas partes del sistema han completado la transición y otras no. ^{[ 16 ] [ 17 ]} Ejemplos conocidos son la fusión del hielo o la ebullición del agua. (El agua no se convierte instantáneamente en vapor , sino que forma una mezcla turbulenta de agua líquida y burbujas de vapor ) .

Informes de investigación primaria relacionados han sugerido que el desorden templado puede ampliar una transición de primer orden: que si bien la transformación se completa en un rango finito de temperaturas, fenómenos como el sobreenfriamiento y el sobrecalentamiento persisten, y se observa histéresis en el ciclo térmico. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

Las transiciones de fase de segundo orden , también llamadas"transiciones de fase continuas",se caracterizan por una susceptibilidad divergente (el cambio de unapropiedad extensivabajo la variación de unapropiedad intensiva), unalongitud de correlacióny unaley de potenciasque disminuye las correlaciones cerca dela criticidad.Ejemplos de transiciones de fase de segundo orden son laferromagnética,latransiciónsuperconductora ^{[ 21 ]} y latransiciónsuperfluidaLev Landaupresentó unateoríafenomenológicade las transiciones de fase de segundo orden.

A diferencia de la viscosidad, la expansión térmica y la capacidad calorífica de los materiales amorfos muestran un cambio relativamente repentino en la temperatura de transición vítrea, ^{[ 22 ]} un cambio que permite una detección precisa mediante mediciones de calorimetría diferencial de barrido .

Varias transiciones se conocen como transiciones de fase de orden infinito . Son continuas, pero no rompen ninguna simetría . El ejemplo más famoso es la transición de Kosterlitz-Thouless en el modelo XY bidimensional . Muchas transiciones de fase cuánticas , por ejemplo, en gases de electrones bidimensionales , pertenecen a esta clase.

Además de las transiciones de fase simples y aisladas, existen líneas de transición y puntos multicríticos al variar parámetros externos como el campo magnético o la composición.

Una transición de primer orden ensanchada por desorden ocurre en un rango finito de temperaturas donde la fracción de la fase de equilibrio de baja temperatura crece de cero a uno (100%) a medida que la temperatura disminuye. Esta variación continua de las fracciones coexistentes con la temperatura planteó posibilidades interesantes. Al enfriarse, algunos líquidos se vitrifican en un vidrio en lugar de transformarse a la fase cristalina de equilibrio. Esto sucede si la velocidad de enfriamiento es más rápida que una velocidad de enfriamiento crítica, y se atribuye a que los movimientos moleculares se vuelven tan lentos que las moléculas no pueden reorganizarse en las posiciones cristalinas. ^{[ 25 ]} Esta ralentización ocurre por debajo de una temperatura de formación de vidrio T _g , que puede depender de la presión aplicada. ^{[ 22 ] [ 26 ]} Si la transición de congelación de primer orden ocurre en un rango de temperaturas, y T _g cae dentro de este rango, entonces existe una posibilidad interesante de que la transición se detenga cuando es parcial e incompleta. Extendiendo estas ideas a las transiciones magnéticas de primer orden que se detienen a bajas temperaturas, resultó en la observación de transiciones magnéticas incompletas, con dos fases magnéticas coexistiendo, hasta la temperatura más baja. Informada por primera vez en el caso de una transición ferromagnética a antiferromagnética, ^{[ 27 ]} esta coexistencia de fases persistente se ha reportado ahora en una variedad de transiciones magnéticas de primer orden. Estas incluyen materiales de manganita con magnetorresistencia colosal, ^{[ 28 ] [ 29 ]} materiales magnetocalóricos, ^{[ 30 ]} materiales con memoria de forma magnética, ^{[ 31 ]} y otros materiales. ^{[ 32 ]} La característica interesante de estas observaciones de T _g que cae dentro del rango de temperatura en el que ocurre la transición es que la transición magnética de primer orden está influenciada por el campo magnético, al igual que la transición estructural está influenciada por la presión. La relativa facilidad con la que se pueden controlar los campos magnéticos, en contraste con la presión, plantea la posibilidad de que se pueda estudiar la interacción entre T _g y T _c de manera exhaustiva. La coexistencia de fases en transiciones magnéticas de primer orden permitirá entonces resolver problemas pendientes en la comprensión de los vidrios.

En cualquier sistema que contenga fases líquida y gaseosa, existe una combinación especial de presión y temperatura, conocida como punto crítico , en la que la transición entre líquido y gas se convierte en una transición de segundo orden. Cerca del punto crítico, el fluido está suficientemente caliente y comprimido como para que la distinción entre las fases líquida y gaseosa sea prácticamente inexistente. Esto se asocia con el fenómeno de la opalescencia crítica , una apariencia lechosa del líquido debida a fluctuaciones de densidad en todas las longitudes de onda posibles (incluidas las de la luz visible).

Las transiciones de fase suelen implicar un proceso de ruptura de simetría . Por ejemplo, el enfriamiento de un fluido hasta convertirse en un sólido cristalino rompe la simetría de traslación continua : cada punto del fluido tiene las mismas propiedades, pero no todas las de un cristal (a menos que los puntos se elijan de entre los puntos de la red cristalina). Normalmente, la fase de alta temperatura contiene más simetrías que la de baja temperatura debido a la ruptura espontánea de simetría , con la excepción de ciertas simetrías accidentales (p. ej., la formación de partículas virtuales pesadas , que solo se produce a bajas temperaturas). ^{[ 33 ]}

Un parámetro de orden es una medida del grado de orden a través de los límites en un sistema de transición de fase; normalmente toma el valor de cero en una fase (generalmente por encima del punto crítico) y distinto de cero en la otra. ^{[ 34 ]} En el punto crítico, la susceptibilidad del parámetro de orden (el cambio de una propiedad extensiva bajo la variación de una propiedad intensiva ) generalmente divergirá.

Un ejemplo de parámetro de orden es la magnetización neta en un sistema ferromagnético que experimenta una transición de fase. Para las transiciones líquido/gas, el parámetro de orden es la diferencia de las densidades.

Desde una perspectiva teórica, los parámetros de orden surgen de la ruptura de simetría. Cuando esto ocurre, es necesario introducir una o más variables adicionales para describir el estado del sistema. Por ejemplo, en la fase ferromagnética , se debe especificar la magnetización neta , cuya dirección se eligió espontáneamente cuando el sistema se enfrió por debajo del punto de Curie . Sin embargo, cabe destacar que los parámetros de orden también pueden definirse para transiciones sin ruptura de simetría.

Algunas transiciones de fase, como la superconductora y la ferromagnética, pueden tener parámetros de orden con más de un grado de libertad. En dichas fases, el parámetro de orden puede adoptar la forma de un número complejo, un vector o incluso un tensor, cuya magnitud tiende a cero en la transición de fase.

También existen descripciones duales de las transiciones de fase en términos de parámetros de desorden. Estas indican la presencia de excitaciones lineales, como líneas de vórtice o líneas de defecto .

Las transiciones de fase con ruptura de simetría desempeñan un papel importante en cosmología . A medida que el universo se expandía y se enfriaba, el vacío experimentó una serie de transiciones de fase con ruptura de simetría. Por ejemplo, la transición electrodébil rompió la simetría SU(2)×U(1) del campo electrodébil, transformándola en la simetría U(1) del campo electromagnético actual . Esta transición es importante para explicar la asimetría entre la cantidad de materia y antimateria en el universo actual, según la teoría de la bariogénesis electrodébil .

Las transiciones de fase progresivas en un universo en expansión están implicadas en el desarrollo del orden en el universo, como lo ilustra el trabajo de Eric Chaisson ^{[ 35 ]} y David Layzer . ^{[ 36 ]}

Véase también teorías del orden relacional y orden y desorden .

Las transiciones de fase continuas son más fáciles de estudiar que las transiciones de primer orden debido a la ausencia de calor latente , y se ha descubierto que poseen muchas propiedades interesantes. Los fenómenos asociados con las transiciones de fase continuas se denominan fenómenos críticos, debido a su relación con puntos críticos.

Las transiciones de fase continuas pueden caracterizarse mediante parámetros conocidos como exponentes críticos . El más importante es quizás el exponente que describe la divergencia de la longitud de correlación térmica al aproximarse a la transición. Por ejemplo, examinemos el comportamiento de la capacidad calorífica cerca de dicha transición. Variamos la temperatura T del sistema manteniendo fijas todas las demás variables termodinámicas y encontramos que la transición ocurre a una temperatura crítica T _c . Cuando T está cerca de T _c , la capacidad calorífica C suele presentar un comportamiento de ley de potencias :

${\displaystyle C\propto |T_{\text{c}}-T|^{-\alpha }.}$

La capacidad calorífica de los materiales amorfos tiene tal comportamiento cerca de la temperatura de transición vítrea donde el exponente crítico universal α = 0,59 ^{[ 37 ]} Un comportamiento similar, pero con el exponente ν en lugar de α , se aplica para la longitud de correlación.

Los exponentes críticos no son necesariamente los mismos por encima y por debajo de la temperatura crítica. Cuando una simetría continua se rompe explícitamente en una simetría discreta por anisotropías irrelevantes (en el sentido del grupo de renormalización), entonces algunos exponentes (como${\displaystyle \gamma }$, el exponente de la susceptibilidad) no son idénticos. ^{[ 38 ]}

Para${\displaystyle \alpha <-1}$, la capacidad calorífica sigue siendo diferenciable a la temperatura de transición, aunque aparecen discontinuidades en derivadas de orden superior. ^{[ 39 ]}

Para${\displaystyle -1\leq \alpha <0}$La capacidad calorífica presenta un punto de inflexión en la temperatura de transición. Este es el comportamiento del helio líquido en la transición lambda de un estado normal a un estado superfluido , para el cual los experimentos han encontrado α = −0,013 ± 0,003. Al menos un experimento se realizó en condiciones de gravedad cero en un satélite en órbita para minimizar las diferencias de presión en la muestra. ^{[ 40 ]} Este valor experimental de α concuerda con las predicciones teóricas basadas en la teoría de perturbación variacional . ^{[ 41 ]}

Para 0 < α < 1, la capacidad calorífica diverge en la temperatura de transición (aunque, dado que α < 1, la entalpía permanece finita). Un ejemplo de este comportamiento es la transición de fase ferromagnética tridimensional. En el modelo de Ising tridimensional para imanes uniaxiales, estudios teóricos detallados han arrojado el exponente α ≈ +0,110.

Algunos sistemas modelo no siguen una ley de potencias. Por ejemplo, la teoría del campo medio predice una discontinuidad finita de la capacidad calorífica a la temperatura de transición, y el modelo de Ising bidimensional presenta una divergencia logarítmica . Sin embargo, estos sistemas son casos límite y una excepción a la regla. Las transiciones de fase reales sí siguen una ley de potencias.

Se definen otros exponentes críticos, β , γ , δ , ν y η , examinando el comportamiento de ley de potencias de una magnitud física medible cerca de la transición de fase. Los exponentes están relacionados por relaciones de escala, como

${\displaystyle \beta =\gamma /(\delta -1),\quad \nu =\gamma /(2-\eta ).}$

Se puede demostrar que solo hay dos exponentes independientes, por ejemplo ν y η .

Resulta notable que las transiciones de fase que surgen en diferentes sistemas a menudo presenten el mismo conjunto de exponentes críticos. Este fenómeno se conoce como universalidad . Por ejemplo, se ha observado que los exponentes críticos en el punto crítico líquido-gas son independientes de la composición química del fluido.

Aún más impresionante, aunque comprensible a partir de lo anterior, coinciden exactamente con los exponentes críticos de la transición de fase ferromagnética en imanes uniaxiales. Se dice que estos sistemas pertenecen a la misma clase de universalidad. La universalidad es una predicción de la teoría del grupo de renormalización de las transiciones de fase, que establece que las propiedades termodinámicas de un sistema cerca de una transición de fase dependen solo de un pequeño número de características, como la dimensionalidad y la simetría, y son insensibles a las propiedades microscópicas subyacentes del sistema. Nuevamente, la divergencia de la longitud de correlación es el punto esencial.

También existen otros fenómenos críticos; por ejemplo, además de las funciones estáticas, existe una dinámica crítica . En consecuencia, durante una transición de fase se puede observar una ralentización o aceleración crítica . Relacionado con el fenómeno anterior, se encuentra también el fenómeno de fluctuaciones intensificadas antes de la transición de fase, como consecuencia de la menor estabilidad de la fase inicial del sistema. Las amplias clases de universalidad estática de una transición de fase continua se dividen en clases de universalidad dinámica más pequeñas . Además de los exponentes críticos, también existen relaciones universales para ciertas funciones estáticas o dinámicas de los campos magnéticos y diferencias de temperatura respecto al valor crítico.

Las transiciones de fase desempeñan muchas funciones importantes en los sistemas biológicos. Algunos ejemplos incluyen la formación de la bicapa lipídica , la transición de ovillo a glóbulo en el proceso de plegamiento de proteínas y la fusión del ADN , las transiciones tipo cristal líquido en el proceso de condensación del ADN , la unión cooperativa de ligandos al ADN y a las proteínas con características de transición de fase ^{[ 42 ]} o el cambio en el proceso de expresión genética al inicio de los eucariotas, marcado por una transición de fase algorítmica. ^{[ 43 ]}

En las membranas biológicas , las transiciones de fase de gel a cristal líquido desempeñan un papel fundamental en el funcionamiento fisiológico de las biomembranas. En la fase de gel, debido a la baja fluidez de las cadenas de ácidos grasos de los lípidos de la membrana, las proteínas de membrana tienen un movimiento restringido y, por lo tanto, se ven limitadas en el ejercicio de su función fisiológica. Las plantas dependen críticamente de la fotosíntesis realizada por las membranas tilacoides de los cloroplastos , que están expuestas a bajas temperaturas ambientales. Las membranas tilacoides conservan una fluidez intrínseca incluso a temperaturas relativamente bajas debido al alto grado de desorden de los ácidos grasos permitido por su alto contenido de ácido linolénico , una cadena de 18 carbonos con 3 enlaces dobles. ^{[ 44 ]} La temperatura de transición de fase de gel a cristal líquido de las membranas biológicas se puede determinar mediante diversas técnicas, como calorimetría, fluorescencia, resonancia paramagnética electrónica con marcaje de espín y RMN , registrando mediciones del parámetro en cuestión a diferentes temperaturas de la muestra. También se ha propuesto un método sencillo para su determinación a partir de las intensidades de las líneas de RMN de 13C. ^{[ 45 ]}

Se ha propuesto que algunos sistemas biológicos podrían estar cerca de puntos críticos. Ejemplos incluyen redes neuronales en la retina de la salamandra, ^{[ 46 ]} bandadas de aves ^{[ 47 ]} , redes de expresión génica en Drosophila, ^{[ 48 ]} y plegamiento de proteínas. ^{[ 49 ]} Sin embargo, no está claro si razones alternativas podrían explicar algunos de los fenómenos que apoyan los argumentos de criticidad. ^{[ 50 ]} También se ha sugerido que los organismos biológicos comparten dos propiedades clave de las transiciones de fase: el cambio de comportamiento macroscópico y la coherencia de un sistema en un punto crítico. ^{[ 51 ]} Las transiciones de fase son una característica prominente del comportamiento motor en los sistemas biológicos. ^{[ 52 ]} Las transiciones espontáneas de la marcha, ^{[ 53 ]} así como las desconexiones de tareas motoras inducidas por fatiga, ^{[ 54 ]} muestran un comportamiento crítico típico como una indicación del cambio cualitativo repentino del patrón de comportamiento motor previamente estable.

La característica distintiva de las transiciones de fase de segundo orden es la aparición de fractales en algunas propiedades sin escala . Se sabe desde hace tiempo que los glóbulos de proteínas se forman por interacciones con el agua. Hay 20 aminoácidos que forman grupos laterales en las cadenas peptídicas de las proteínas, que varían de hidrofílicos a hidrofóbicos, lo que hace que los primeros se sitúen cerca de la superficie globular, mientras que los segundos se sitúan más cerca del centro globular. Se descubrieron veinte fractales en las áreas superficiales asociadas al disolvente de más de 5000 segmentos de proteínas. ^{[ 55 ]} La existencia de estos fractales demuestra que las proteínas funcionan cerca de puntos críticos de transiciones de fase de segundo orden.

En grupos de organismos sometidos a estrés (al acercarse a transiciones críticas), las correlaciones tienden a aumentar, mientras que, simultáneamente, también aumentan las fluctuaciones. Este efecto está respaldado por numerosos experimentos y observaciones de grupos de personas, ratones, árboles y plantas herbáceas. ^{[ 56 ]}

Se ha planteado la hipótesis de que las transiciones de fase ocurren en sistemas sociales considerados como sistemas dinámicos. Una hipótesis propuesta en las décadas de 1990 y 2000 en el contexto de la paz y el conflicto armado es que cuando un conflicto no violento pasa a una fase de conflicto armado, esto constituye una transición de fase de fases latentes a manifiestas dentro del sistema dinámico. ^{[ 57 ] : 49}