Estado de la materia

En un sólido, las partículas constituyentes (iones, átomos o moléculas) están muy juntas. Las fuerzas entre las partículas son tan intensas que estas no pueden moverse libremente, sino que solo pueden vibrar. Como resultado, un sólido tiene una forma estable y definida, así como un volumen determinado. Los sólidos solo pueden cambiar de forma por la acción de una fuerza externa, como cuando se rompen o se cortan.

En los sólidos cristalinos , las partículas (átomos, moléculas o iones) se empaquetan en un patrón repetitivo y ordenado regularmente. Existen diversas estructuras cristalinas , y una misma sustancia puede tener más de una estructura (o fase sólida). Por ejemplo, el hierro tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo a temperaturas inferiores a 912 °C (1674 °F) , y una estructura cúbica centrada en las caras entre 912 y 1394 °C (2541 °F) . El hielo tiene quince estructuras cristalinas conocidas, o quince fases sólidas, que existen a diversas temperaturas y presiones. ^{[ 1 ]}    

Los vidrios y otros sólidos amorfos no cristalinos, sin orden de largo alcance , no son estados fundamentales de equilibrio térmico ; por lo tanto, se describen a continuación como estados no clásicos de la materia.

Los sólidos se pueden transformar en líquidos mediante la fusión, y los líquidos en sólidos mediante la congelación. Los sólidos también pueden transformarse directamente en gases mediante el proceso de sublimación , y los gases, a su vez, pueden transformarse directamente en sólidos mediante la deposición .

Un líquido es un fluido casi incompresible que se adapta a la forma de su recipiente, pero mantiene un volumen (casi) constante independientemente de la presión. El volumen es definido si la temperatura y la presión son constantes. Cuando un sólido se calienta por encima de su punto de fusión , se convierte en líquido, siempre que la presión sea superior al punto triple de la sustancia. Las fuerzas intermoleculares (o interatómicas o interiónicas) siguen siendo importantes, pero las moléculas tienen suficiente energía para moverse unas con respecto a otras y la estructura es móvil. Esto significa que la forma de un líquido no es definida, sino que está determinada por su recipiente. El volumen suele ser mayor que el del sólido correspondiente; la excepción más conocida es el agua , H₂O _. La temperatura más alta a la que puede existir un líquido dado es su temperatura crítica . ^{[ 2 ]}

Un gas es un fluido compresible. Un gas no solo se adapta a la forma del recipiente que lo contiene, sino que también se expande hasta llenarlo.

En un gas, las moléculas poseen suficiente energía cinética como para que el efecto de las fuerzas intermoleculares sea pequeño (o nulo en el caso de un gas ideal ), y la distancia típica entre moléculas vecinas es mucho mayor que el tamaño molecular. Un gas no tiene forma ni volumen definidos, sino que ocupa todo el recipiente que lo contiene. Un líquido puede convertirse en gas calentándolo a presión constante hasta su punto de ebullición , o bien reduciendo la presión a temperatura constante.

A temperaturas inferiores a su temperatura crítica , un gas también se denomina vapor y puede licuarse mediante compresión sin necesidad de enfriamiento. Un vapor puede existir en equilibrio con un líquido (o sólido), en cuyo caso la presión del gas es igual a la presión de vapor del líquido (o sólido).

Un fluido supercrítico (FSC) es un gas cuya temperatura y presión superan la temperatura crítica y la presión crítica , respectivamente. En este estado, la distinción entre líquido y gas desaparece. Un fluido supercrítico posee las propiedades físicas de un gas, pero su alta densidad le confiere propiedades disolventes en algunos casos, lo que da lugar a aplicaciones útiles. Por ejemplo, el dióxido de carbono supercrítico se utiliza para extraer la cafeína en la fabricación de café descafeinado . ^{[ 3 ]}

Un gas se convierte en plasma generalmente de dos maneras: mediante una enorme diferencia de potencial entre dos puntos o exponiéndolo a temperaturas extremadamente altas. Calentar la materia a altas temperaturas provoca que los electrones abandonen los átomos, lo que da lugar a la presencia de electrones libres. Esto crea un plasma denominado parcialmente ionizado. A temperaturas muy elevadas, como las presentes en las estrellas, se supone que prácticamente todos los electrones son libres y que un plasma de muy alta energía consiste esencialmente en núcleos desnudos flotando en un mar de electrones. Esto forma el plasma denominado totalmente ionizado.

El estado de plasma suele malinterpretarse, y aunque no existe libremente en condiciones normales en la Tierra, se genera con bastante frecuencia por rayos , chispas eléctricas , luces fluorescentes , luces de neón o en televisores de plasma . La corona solar , algunos tipos de llamas y las estrellas son ejemplos de materia iluminada en estado de plasma. El plasma es, con mucho, el más abundante de los cuatro estados fundamentales; el 99 % de toda la materia ordinaria del universo es plasma, ya que compone todas las estrellas . ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

Representación esquemática de una forma vítrea de red aleatoria (izquierda) y una red cristalina ordenada (derecha) de idéntica composición química.

El vidrio es un material sólido no cristalino o amorfo que experimenta una transición vítrea al calentarse hasta alcanzar el estado líquido. Puede estar compuesto de diversos tipos de materiales: redes inorgánicas (como el vidrio de ventana, compuesto de silicato y aditivos), aleaciones metálicas, fundidos iónicos , soluciones acuosas , líquidos moleculares y polímeros . Termodinámicamente, el vidrio se encuentra en un estado metaestable con respecto a su contraparte cristalina. Sin embargo, la tasa de conversión es prácticamente nula.

Un cristal plástico es un sólido molecular con orden posicional de largo alcance, pero cuyas moléculas constituyentes conservan libertad de rotación; en un vidrio orientacional, este grado de libertad se congela en un estado desordenado congelado .

De manera similar, en un vidrio de espín el desorden magnético queda congelado.

Los estados de cristal líquido poseen propiedades intermedias entre los líquidos móviles y los sólidos ordenados. Generalmente, pueden fluir como un líquido, pero exhiben un orden de largo alcance. Por ejemplo, la fase nemática consiste en moléculas largas en forma de varilla, como el para-azoxianisol , que es nemático en el rango de temperatura de 118–136 °C (244–277 °F) . ^{[ 10 ]} En este estado, las moléculas fluyen como en un líquido, pero todas apuntan en la misma dirección (dentro de cada dominio) y no pueden rotar libremente. Al igual que un sólido cristalino, pero a diferencia de un líquido, los cristales líquidos reaccionan a la luz polarizada.  

Otros tipos de cristales líquidos se describen en el artículo principal sobre estos estados. Varios tipos tienen importancia tecnológica, por ejemplo, en las pantallas de cristal líquido .

Los copolímeros pueden experimentar una separación de microfases para formar una amplia variedad de nanoestructuras periódicas, como se muestra en el ejemplo del copolímero de bloques de estireno-butadieno-estireno que aparece a la derecha. La separación de microfases puede entenderse por analogía con la separación de fases entre el aceite y el agua. Debido a la incompatibilidad química entre los bloques, los copolímeros de bloques experimentan una separación de fases similar. Sin embargo, dado que los bloques están unidos covalentemente entre sí, no pueden separarse macroscópicamente como el agua y el aceite, por lo que forman estructuras de tamaño nanométrico . Dependiendo de las longitudes relativas de cada bloque y de la topología general del polímero, se pueden obtener diversas morfologías, cada una de ellas una fase de la materia propia.

Los líquidos iónicos también presentan separación de microfases. El anión y el catión no son necesariamente compatibles y, de lo contrario, se desmezclarían, pero la atracción de cargas eléctricas impide su separación. Sus aniones y cationes parecen difundirse dentro de capas compartimentadas o micelas, en lugar de hacerlo libremente como en un líquido uniforme. ^{[ 11 ]}

La condensación de Bose-Einstein fue predicha en 1925 por Albert Einstein , basándose en la estadística de partículas desarrollada por él y Satyendra Nath Bose . ^{[ 12 ]} La condensación de Bose-Einstein ocurre cuando las partículas bosónicas se enfrían cerca del cero absoluto , −273,15 °C (−459,67 °F) . A una temperatura específica, una gran fracción de ellas ocupa repentinamente el mismo estado cuántico de energía más baja . ^{[ 12 ]} El efecto se denomina condensación por analogía con la condensación del agua, con la que comparte algunas similitudes. ^{[ 13 ]}  

En 1937, se descubrió que el helio-4 , el isótopo más común del helio , forma un superfluido por debajo de la temperatura lambda de 2,17 K (−270,98 °C; −455,76 °F) . Este estado se describe como superfluido porque tiene viscosidad cero y fluye sin fricción. En este estado, intentará "escapar" de su contenedor. ^{[ 14 ]} También tiene conductividad térmica infinita , por lo que no se puede formar ningún gradiente de temperatura en un superfluido. Colocar un superfluido en un contenedor giratorio dará como resultado vórtices cuantizados . Estas propiedades se explican mediante la teoría de que los átomos de helio-4 forman un condensado de Bose-Einstein en el estado superfluido.   

En fase gaseosa, el condensado de Bose-Einstein permaneció como una predicción teórica no verificada durante muchos años. Sin embargo, en 1995, los grupos de investigación de Eric Cornell y Carl Wieman , del JILA en la Universidad de Colorado en Boulder , produjeron experimentalmente el primer condensado de este tipo con átomos de rubidio . De forma independiente a Cornell y Wieman, Wolfgang Ketterle también produjo un condensado de Bose-Einstein en un gas de átomos de sodio en 1995. ^{[ 13 ]}

Un condensado fermiónico es similar al condensado de Bose-Einstein, pero está compuesto por fermiones . Si bien el principio de exclusión de Pauli impide que los fermiones individuales ocupen el mismo estado cuántico, los pares de fermiones pueden combinarse para formar partículas compuestas que se comportan como bosones. Estos pares pueden entonces ocupar el mismo estado, formando un condensado análogo a un condensado de Bose-Einstein. Ejemplos de condensados ​​fermiónicos incluyen los superconductores y la fase superfluida del helio-3 , un isótopo raro del helio. También se ha observado un condensado fermiónico en el litio-6 ultrafrío . ^{[ 15 ]}

Los superconductores son materiales con resistividad eléctrica nula y, por lo tanto, conductividad perfecta. Este es un estado físico distintivo que existe a bajas temperaturas, y la resistividad aumenta de forma discontinua hasta un valor finito a una temperatura de transición bien definida para cada superconductor. ^{[ 16 ]} Un superconductor también excluye todos los campos magnéticos de su interior, un fenómeno conocido como efecto Meissner o diamagnetismo perfecto . ^{[ 16 ]} Los imanes superconductores se utilizan como electroimanes en equipos de resonancia magnética .

El fenómeno de la superconductividad se descubrió en 1911 y durante 75 años solo se conoció en algunos metales y aleaciones metálicas a temperaturas inferiores a 30 K. En 1986 se descubrió la denominada superconductividad de alta temperatura en ciertos óxidos cerámicos , y ahora se ha observado a temperaturas de hasta 164 K. ^{[ 17 ]}

Bajo presiones extremadamente altas, como en los núcleos de las estrellas muertas, la materia ordinaria experimenta una transición a una serie de estados exóticos de la materia conocidos colectivamente como materia degenerada , que se sustentan principalmente en efectos de la mecánica cuántica. En física, "degenerado" se refiere a dos estados que tienen la misma energía y, por lo tanto, son intercambiables. La materia degenerada se sustenta en el principio de exclusión de Pauli , que impide que dos partículas fermiónicas ocupen el mismo estado cuántico. A diferencia del plasma regular, el plasma degenerado se expande poco al calentarse, porque simplemente no quedan estados de momento. En consecuencia, las estrellas degeneradas colapsan en densidades muy altas. Las estrellas degeneradas más masivas son más pequeñas, porque la fuerza gravitatoria aumenta, pero la presión no aumenta proporcionalmente.

La materia degenerada de electrones se encuentra dentro de las estrellas enanas blancas . Los electrones permanecen ligados a los átomos, pero pueden transferirse a átomos adyacentes. La materia degenerada de neutrones se encuentra en las estrellas de neutrones . La enorme presión gravitacional comprime los átomos con tanta fuerza que los electrones se ven obligados a combinarse con protones mediante desintegración beta inversa, lo que resulta en una aglomeración superdensa de neutrones. Normalmente, los neutrones libres fuera de un núcleo atómico se desintegran con una vida media de aproximadamente 10 minutos, pero en una estrella de neutrones, la desintegración inversa supera a esta. La materia degenerada fría también está presente en planetas como Júpiter y en las enanas marrones , aún más masivas , que se espera que tengan un núcleo con hidrógeno metálico . Debido a la degeneración, las enanas marrones más masivas no son significativamente más grandes. En los metales, los electrones pueden modelarse como un gas degenerado que se mueve en una red de iones positivos no degenerados.

En la materia fría ordinaria, los quarks , partículas fundamentales de la materia nuclear, están confinados por la fuerza fuerte en hadrones que constan de 2 a 4 quarks, como protones y neutrones. La materia de quarks o materia cromodinámica cuántica (QCD) es un grupo de fases donde se supera la fuerza fuerte y los quarks se liberan y pueden moverse libremente. Las fases de materia de quarks se producen a densidades o temperaturas extremadamente altas, y no se conocen métodos para producirlas en equilibrio en el laboratorio; en condiciones normales, cualquier materia de quarks formada sufre inmediatamente desintegración radiactiva.

La materia extraña es un tipo de materia de quarks que se sospecha que existe en algunas estrellas de neutrones cercanas al límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff (aproximadamente 2-3 masas solares ), aunque no hay evidencia directa de su existencia. En la materia extraña, parte de la energía disponible se manifiesta como quarks extraños , un análogo más pesado del quark down común . Es posible que sea estable en estados de energía más bajos una vez formada, aunque esto se desconoce.

El plasma de quarks y gluones es una fase de muy alta temperatura en la que los quarks se vuelven libres y pueden moverse independientemente, en lugar de estar perpetuamente ligados en partículas, en un mar de gluones , partículas subatómicas que transmiten la fuerza fuerte que une a los quarks. Esto es análogo a la liberación de electrones de los átomos en un plasma. Este estado se puede alcanzar brevemente en colisiones de iones pesados ​​de energía extremadamente alta en aceleradores de partículas , y permite a los científicos observar las propiedades de los quarks individuales. Las teorías que predicen la existencia del plasma de quarks y gluones se desarrollaron a finales de la década de 1970 y principios de la de 1980, ^{[ 18 ]} y se detectó por primera vez en el laboratorio del CERN en el año 2000. ^{[ 19 ] [ 20 ]} A diferencia del plasma, que fluye como un gas, las interacciones dentro del QGP son fuertes y fluye como un líquido.

Se postula que, a altas densidades pero temperaturas relativamente bajas, los quarks forman un líquido de quarks cuya naturaleza se desconoce actualmente. A densidades aún mayores, se forma una fase de bloqueo de color y sabor (CFL, por sus siglas en inglés). Esta fase es superconductora para la carga de color. Es posible que estas fases se presenten en estrellas de neutrones , pero actualmente son solo teóricas.

El condensado de vidrio de color es un tipo de materia cuya existencia se teoriza en núcleos atómicos que viajan cerca de la velocidad de la luz. Según la teoría de la relatividad de Einstein, un núcleo de alta energía parece contraerse, o comprimirse, en la dirección de su movimiento. Como resultado, los gluones dentro del núcleo aparecen para un observador estacionario como una "pared gluónica" que viaja cerca de la velocidad de la luz. A energías muy altas, se observa un gran aumento en la densidad de los gluones en esta pared. A diferencia del plasma de quarks y gluones producido en la colisión de dichas paredes, el condensado de vidrio de color describe las paredes mismas y es una propiedad intrínseca de las partículas que solo puede observarse en condiciones de alta energía, como las del Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​(RHIC) y posiblemente también en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC).

Diversas teorías predicen nuevos estados de la materia a energías muy elevadas. Un estado desconocido ha generado la asimetría bariónica en el universo, pero se sabe poco sobre él. En la teoría de cuerdas , se predice una temperatura de Hagedorn para las supercuerdas de aproximadamente ^10³⁰ K, donde se producen abundantemente. A la temperatura de Planck ( ^10³² K), la gravedad se convierte en una fuerza significativa entre partículas individuales. Ninguna teoría actual puede describir estos estados y no pueden reproducirse con ningún experimento previsible. Sin embargo, estos estados son importantes en cosmología porque el universo podría haber pasado por ellos durante el Big Bang .

Un supersólido es un material con ordenamiento espacial (es decir, un sólido o cristal) con propiedades superfluidas. Al igual que un superfluido, un supersólido puede moverse sin fricción, pero conserva una forma rígida. Aunque un supersólido es un sólido, exhibe tantas propiedades características diferentes a las de otros sólidos que muchos argumentan que se trata de otro estado de la materia. ^{[ 21 ]}

En un líquido con estructura de red de cadenas, los átomos presentan una disposición aparentemente inestable, como en un líquido, pero mantienen una estructura general consistente, como en un sólido. En un estado sólido normal, los átomos se alinean formando una red, de modo que el espín de cualquier electrón es opuesto al de todos los electrones que lo rodean. Sin embargo, en un líquido con estructura de red de cadenas, los átomos se organizan en un patrón que exige que algunos electrones tengan vecinos con el mismo espín. Esto da lugar a propiedades curiosas, además de respaldar algunas propuestas inusuales sobre las condiciones fundamentales del universo.

Un supervidrio es una fase de la materia que se caracteriza, al mismo tiempo, por la superfluidez y una estructura amorfa congelada.

Los metales, como el potasio, en estado de fusión de cadenas parecen comportarse como líquidos y sólidos al mismo tiempo. Esto se debe a que se someten a altas temperaturas y presiones, lo que provoca que las cadenas del potasio se disuelvan en un líquido mientras que los cristales permanecen sólidos. ^{[ 22 ]}

Un estado de efecto Hall cuántico genera un voltaje Hall cuantizado que se mide en la dirección perpendicular al flujo de corriente. Un estado de efecto Hall de espín cuántico es una fase teórica que podría allanar el camino para el desarrollo de dispositivos electrónicos que disipen menos energía y generen menos calor.

La materia fotónica es un fenómeno en el que los fotones que interactúan con un gas desarrollan masa aparente y pueden interactuar entre sí, incluso formando "moléculas" fotónicas. La fuente de masa es el gas, que es masivo. Esto contrasta con los fotones que se mueven en el espacio vacío, que no tienen masa en reposo y no pueden interactuar.