Científicos de la Universidad Queen Mary de Londres han hecho dos descubrimientos sobre el comportamiento de la «materia supercrítica»: materia en el punto crítico donde las diferencias entre líquidos y gases parecen desaparecer.

Si bien se entendía bien el comportamiento de la materia a una temperatura y presión razonablemente bajas, la imagen de la materia a una temperatura y presión altas era borrosa. Por encima del punto crítico, las diferencias entre líquidos y gases parecen desaparecer y la materia supercrítica se vuelve caliente, densa y homogénea.

Los investigadores creían que todavía había nueva física por descubrir sobre este tema en el estado supercrítico.

Aplicando dos parámetros – el capacidad calorífica y la longitud sobre la que se pueden propagar las ondas en el sistema, hicieron dos descubrimientos importantes. Primero, descubrieron que hay un inversión punto entre los dos donde la materia cambia sus propiedades físicas – de líquido a gas. También encontraron que este punto de inflexión está notablemente cerca en todos los sistemas estudiados, lo que nos dice que la materia supercrítica es intrigantemente simple y susceptible de una nueva comprensión.

Además de una comprensión fundamental de los estados de la materia y el diagrama de transición de fase, la comprensión de la materia supercrítica tiene muchas aplicaciones prácticas; el hidrógeno y el helio son supercríticos en planetas gigantes gaseosos como Júpiter y Saturno y, por lo tanto, gobiernan sus propiedades físicas. En aplicaciones ambientales verdes, fluidos supercríticos también han demostrado ser muy eficientes en la destrucción de desechos peligrosos, pero los ingenieros buscan cada vez más la orientación de la teoría para mejorar la eficiencia de los procesos supercríticos.

Kostya Trachenko, profesor de física en la Universidad Queen Mary de Londres, dijo: «La universalidad afirmada de la materia supercrítica allana el camino para una nueva imagen físicamente transparente de la materia en la física extrema, así como para comprender y predecir las propiedades supercríticas en aplicaciones ambientales ecológicas». astronomía y otras áreas.

«Este viaje está en curso y probablemente verá desarrollos emocionantes en el futuro. Por ejemplo, ¿plantea la pregunta de si el punto de inversión fijo está relacionado con las transiciones de fase convencionales de orden superior? ¿Nuevo y bastante diferente? A medida que superamos los límites de lo que se sabe, podemos identificar estas nuevas e interesantes preguntas y comenzar a buscar respuestas».

Metodología

El principal problema para comprender la materia supercrítica era que las teorías de gases, líquidos y sólidos no eran aplicables. No estaba claro qué parámetros físicos revelarían las propiedades más destacadas del estado supercrítico.

Armados con su comprensión previa de los líquidos a menor temperatura y presión, los investigadores utilizaron dos parámetros para describir la materia supercrítica.

1. El primer parámetro es la propiedad de uso común: esta es la capacidad calorífica que muestra la eficiencia con la que el sistema absorbe calor y contiene información esencial sobre los grados de libertad del sistema.

2. El segundo parámetro es menos común: esta es la longitud sobre la cual las ondas pueden propagarse en el sistema. Esta longitud gobierna el espacio de fase disponible para los fonones. Cuando esta longitud alcanza su valor más pequeño posible y se vuelve igual a la separación interatómica, sucede algo realmente interesante.

Los científicos han encontrado que en términos de estos dos parámetros, la materia en condiciones extremas de alta presión y temperatura se vuelve notablemente universal.

Esta universalidad es doble. En primer lugar, el gráfico de la capacidad calorífica frente a la longitud de propagación de la onda tiene un punto de inversión fijo impresionante que corresponde a la transición entre dos estados supercríticos físicamente diferentes: el estado líquido y el estado gaseoso. Al cruzar este punto de inversión, la materia supercrítica cambia de tonalidad propiedades físicas. El punto de inversión sirve de manera importante como una forma inequívoca de separar los dos estados, algo que ha estado ocupando las mentes de los científicos desde hace algún tiempo.

En segundo lugar, la ubicación de este punto de inversión es notablemente cercana en todos los tipos de sistemas estudiados. Esta segunda universalidad es notablemente diferente de todos los demás puntos de transición conocidos. Por ejemplo, dos de estos puntos de transición: el punto triple donde coexisten los tres estados de la materia (líquido, gaseoso, sólido) y el punto crítico donde termina la línea de ebullición gas-líquido son diferentes en diferentes sistemas. Por otro lado, el mismo punto de inversión en todos los sistemas en condiciones supercríticas extremas nos dice que el punto supercrítico asunto es intrigantemente simple.

Descubrir y probar esta sencillez es el resultado principal del artículo «Doble universalidad de la transición en estado supercrítico,» publicado en avances en la ciencia.